姐的欢喜

从黑洞的极化照片可以看出什么?

3月24日《The Astrophysical Journal Letters》EHT团队发表的最新论文“First M87 Event Horizon Telescope Results. VII. Polarization of the Ring”。该论文显示了黑洞周围高速旋转的物质发出的光子存在非常明显的极化方向。

下图是最早发布的没有进行处理的黑洞照片,可以看出没有进行处理之前光线是均匀分布的。

 

黑洞原始.png

 

而最新发布的经过了处理之后的照片如下图所示:

 

黑洞极化.png

 

从图中可以看出,这张2017年4月6日拍摄的照片中,光线出现了明暗条纹,其中明亮的条纹反映出朝着某个方向极化的光线,而暗条纹则是朝着另一个方向极化的光线。这就像偏振镜一样,能够让某个极化方向的光线通过,而阻挡另一个极化方向的光线。

另外从论文中还可以看出,光线的极化方向是在快速变化的。下图显示了4月6日的照片上面的光子极化方向和4月10日的光子极化方向有非常明显的不同。

 

黑洞极化变化.png

 

目前来看,能够影响光子偏振方向的主要还是磁场。因此在黑洞周围出现这么大范围的光子极化方向变化,证明了M87黑洞周围存在非常强大的磁场。而光子极化方向的快速变化,则说明这个磁场应该也是在不断变化的。

那么问题就来了:黑洞周围的这个磁场是怎么样形成的?

归纳起来可能存在两方面的原因。一个原因应该跟黑洞周围高速的物质喷射流有关。如果黑洞周围的物质温度非常高,处于等离子体状态,则将会形成带电粒子的运动,从而产生电流,进而形成磁场。由于等离子体气体的不稳定性,形成的磁场也将不会很稳定,从而影响到黑洞视界周围的磁场分布,进而导致光子的极化方向受到影响。

另一种原因可能在于黑洞本身是带电的。目前理论上存在四种黑洞,最基本的黑洞叫做史瓦西黑洞,既不带电也没有自旋角动量。第二种黑洞叫做Reissner-Nordström黑洞,这种黑洞仅仅带有电荷。第三种黑洞叫做克尔黑洞,这种黑洞仅仅带有角动量。而第四种黑洞则叫做克尔-纽曼黑洞,同时带有电荷和角动量。

从黑洞的照片来看,M87黑洞很明显带有角动量。这可以从黑洞视界内部的不对称椭圆形状可以看出,由于存在南北方向的高速旋转,导致黑洞视界南北方向明显被拉长。而目前黑洞照片中的光子极化方向的存在,证明了黑洞周围存在非常强大的磁场。如果黑洞带有电荷,并高速旋转的话,就如同法拉第圆盘一样,可以在黑洞周围产生出强大的磁场出来。

由此可见黑洞视界周围光子的极化方向照片的拍摄,对于确定不同类型的黑洞的存在还是有相当重要的意义的。

参考文献:

The Event Horizon Telescope Collaboration et al. (2021). First M87 Event Horizon Telescope Results. VII. Polarization of the Ring. ApJL. 910. L12.

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