#黑洞是如何形成的# 黑洞偏振照片发布!中科院上海天文台深度参与研究「中国科普博览」

北京时间2021年3月24日晚10点,曾成功捕获人类有史以来首张黑洞照片的事件视界望远镜(EHT)合作组织,又为揭秘M87超大质量黑洞提供了一个崭新视角:它在偏振光下的影像(图1)。

图1.(上)偏振光下M87超大质量黑洞的图像,图中线条标记了偏振的方向,它与黑洞阴影周围的磁场有关。(图片版权:EHT合作组织)

偏振片只允许特定方向的偏振光通过。下面这个动画显示了黑洞偏振图像在通过一个偏振平面不断旋转的偏振片后的变化。(视频版权:EHT合作组织)

大家还记得2019年EHT发布的首张黑洞照片吗?

图2. 2019年EHT发布的首张黑洞照片(图片版权:EHT合作组织。)

对比下这两张照片,是不是这次的新照片看起来清晰度更高一些?难道是EHT升级了望远镜阵列,像手机升级摄像头一样,提高了像素?并非如此。我们看到的新照片,其实与首张黑洞照片来自于同一批成像观测,但是这张“照片”是通过处理偏振信号获得的,所以我们称之为“黑洞在偏振光下的影像”。

这是天文学家第一次在如此接近黑洞边缘处测得表征磁场特征的偏振信息。该结果对理解距离我们5500万光年的M87星系如何产生能量巨大的喷流十分关键。

那么,什么是偏振呢?让我们从头说起。

什么是电磁波的偏振?

偏振(也称极化)是横波的一种属性,指横波在与其传播方向垂直的平面内沿着某一特定方向振荡的性质。光是一种电磁波,由耦合振荡的电场和磁场组成,而电场和磁场的振荡方向总是互相垂直的。在自由空间里,电磁波是以横波方式传播,即电场与磁场又都垂直于电磁波的传播方向(图3,上)。按照常规,电磁波的“极化”方向指的是电场的振荡方向。

图3. (上)电磁波传播示意图。(下)非偏振的入射光经过线偏振片后成为线偏振光,再次经过四分之一波片之后变成(从接收端看)左旋圆偏振光。

如果电磁波的电场只在一个方向上振荡,则称为“线偏振”。若随着电磁波的传播,电场的振荡方向是以电磁波的波频率进行旋转,并且电场矢量的矢端随着时间勾绘出(椭)圆型,则称此电磁波为“(椭)圆偏振”;对于这两种情形,又可按照电场矢量旋转的方向分为“右旋(椭)圆偏振”和“左旋(椭)圆偏振”。

一般生活中的光,比如太阳光、白炽灯光等,振动在各个方向是均匀分布的,称为非偏振光。偏振光的产生可以通过多种方式实现,常见的方法是让非偏振光通过一个偏振片,只让沿着某特定方向偏振的光波通过。而线偏振光经过四分之一波片后可变为椭圆偏振光,并在特定角度下(当线偏振光的振荡方向与波片光轴方向成±45°时)变为圆偏振光(如图3,下图所示)。

为什么EHT能拍摄到黑洞边缘的偏振?

在射电天文领域,我们接收到的大部分天体信号是偏振光,例如黑洞产生的喷流,其射电波段的辐射对应的主要是相对论性电子(速度接近光速)在磁场中沿弧形轨道运动时所发出的光,专业名词称作同步加速辐射。

由于偏振辐射是个包含大小和方向的矢量,通常在小尺度致密区域探测到的偏振辐射比较明显,接近真实的情况,但若是没有足够的分辨本领探测这些区域内偏振辐射的话,观测到的偏振特征就会由于叠加效应而被削弱。

此外,由于不同致密区域的法拉第旋转等效应,即指在磁化介质中偏振的方向会发生旋转,会削弱偏振特征,也会造成在黑洞边缘区域难以探测到明显的偏振。值得注意的是,法拉第旋转效应所造成的偏振方向旋转的幅度跟波长的平方成正比,即波长越短,旋转幅度越不明显,其偏振的特征越不容易被削弱。

此次EHT能够拍摄到黑洞阴影周围的高分辨率偏振图像,主要归功于两点:一是EHT的高分辨本领,让科学家们能够分解开这些致密区域;二是观测波段在短毫米波段,从而大大削弱了法拉第旋转效应的影响。

怎样拍摄黑洞偏振图像?

此次获取的M87黑洞偏振图像与首张黑洞照片来自于同一次成像观测(Event Horizon Telescope collaboration et al. 2019)。EHT在为黑洞进行拍照观测时就充分考虑到了偏振成像(江悟等,2019),因此,在接收和记录电磁波信号时,已将能恢复电磁波偏振信息的两路正交偏振信号采集并记录了下来。

为了获取2019年4月10日宣布的首张黑洞照片(总强度图),需处理各个台站间相同偏振方向的互相关数据。而为了获得此次发布的偏振图像,则更加复杂,还需要对所有台站之间的交叉偏振信号进行处理,其中的难点在于对台站偏振参数进行校准。所谓台站偏振参数,指各个台站实际接收偏振信号时,原本期待接收两路“干净”的偏振信号,但实际上接收的其中一路偏振信号,难免会“掺杂”有另一路偏振的信号。

图4.本文作者及合作者于2019年7月15日至19日在位于德国波恩的马普射电天文研究所进行的EHT偏振校准工作会议期间合影。这次会议主要是针对M87偏振观测数据的校准及成像。(照片来源: E. Traianou/马普射电天文研究所。)
为了能及时对M87黑洞进行偏振成像,在首张黑洞照片发布后的第3个月,EHT合作组便在位于德国波恩的马普射电天文研究所举行了为期一周的主题为偏振校准及成像的工作会议(图4,上)。

如今回想起来,当时会议过程也是一波三折。由于一开始用预选的校准源来对M87的偏振数据进行校准测试,并没有得到预想的结果,大家都开始担心起来。直到会期中间,替换了另外的校准源,且直接用M87的观测数据本身做偏振校准,结果不同的小组利用不同方法都可以得到比较一致的初步结果(图4,下)。大家这才发现,由于预选的校准源偏振结构复杂,并不适合用作校准源。这时大家才放下心来。后来,又经过长期的工作和反复讨论,才最终敲定黑洞偏振图像的结果(Event Horizon Telescope collaboration et al. 2021a)。

偏振图像可以告诉我们什么?

EHT在事件视界尺度上对M87超大质量黑洞周围的偏振辐射进行的成像,可以用来探测黑洞附近磁场和等离子体的性质,从而理解黑洞如何“吞噬”物质并发出能量巨大的喷流(Event Horizon Telescope collaboration et al. 2021b)。

观测发现黑洞图像的线偏振度较低,表明偏振结构在比EHT的分辨本领更小的尺度上被扰乱,这或许是由黑洞周围辐射区域内局部的法拉第旋转所造成。同时,图1中的线条(偏振的方向)所展示的图案意味着该辐射区域存在有序的磁场结构。

通过与广义相对论磁流体动力学理论模拟生成的大量黑洞偏振图像的定量比较,研究团队发现,只有以强磁化气体为特征的理论模型才能解释在事件视界看到的情况并产生足够强的相对论性喷流。这些成功的模型可进一步推断M87中黑洞的物质吸积率的大小(即黑洞吞噬物质的快慢),即每千年吞噬0.3到2倍太阳质量的物质。这些结论大大加深了我们对黑洞周围物理环境的理解。

下一步和未来

从观测上直接接近黑洞的边缘,从而在几个史瓦西半径的尺度上不断探索黑洞周围的时空特性和物理过程,这代表着人类认识宇宙手段的一大突破。

然而,目前的EHT阵列中,望远镜数目仍然较少,基线覆盖还比较稀疏,尤其是,由于银心黑洞受到星际散射的影响以及相比目前成像所需时间(数个小时)要快得多的结构变化,成像并非易事。

鉴于此,EHT合作在M87黑洞首次成像后,提出了下一代EHT计划(即next generation EHT, ngEHT),计划在近10年内完成。ngEHT计划通过在地球上布设更多的亚毫米波望远镜、增加观测灵敏度及频率覆盖等来提升黑洞成像的质量并提供更多观测信息,尤其是要提升成像速度以进一步制作黑洞“动画” (Blackburn et al. 2019)。

同时,国际上也在探讨、预研空间亚毫米波阵列(Haworth et al. 2019),以此进一步提升黑洞成像的质量及效率。

由于地球的自转,东亚地区的台站将会是拍摄黑洞动画所需的成像接力中不可或缺的部分。目前,日韩等都已在积极致力于这一国际努力。例如,韩国目前正在平昌建设新的亚毫米波望远镜,有望在未来几年内加入EHT阵列。实际上,由于中国幅员辽阔并且存在优良的亚毫米波望远镜台址(如西部地区),若是在这些地区布设亚毫米波望远镜的话将会提供黑洞成像/摄像所需的独特基线覆盖。

如果说我们目前已经积极参与到黑洞成像这一国际合作项目的话(路如森等,2019),在黑洞成像/摄像开展得如火如荼的今天,笔者不禁思考:我国何时才能拥有一台真正属于自己的亚毫米波(VLBI)望远镜甚至一个阵列?

希望这一天离我们不太遥远。
#微博公开课# #微博新知博主#

真的很震撼!历史的吊诡之处就在于,你刚刚走过今天,扑面而来的却是昨天。上过高中的人都知道,经济运行是周期性波动的。虽然大家的情绪都比较难受,但也算不上活久见。

就在过去的十年内,这样的时候我们至少是第三次:

第一次是多灾多难的 2008 年。暴雪、地震、金融海啸等标志性事件,让 80、90 后们迄今还记忆犹新。

那一年我在创业。最大的感受是,ToC 的需求完全没有了,最大的客户,就剩下那些体制内的单位。那一年国家推出4万亿的救市,基本上全流入了各种基础建设。铁路、公路、水利、市政、地铁等,体制内单位、大的国企更靠近源头,吃得盆满钵满;那些民间的小公司呢,只能围着他们舔点汤喝。记得那一年,自己不是在工厂,就是在工地、高架桥上。吃的是盒饭、晚上在没空调的集装箱板房逮臭虫,捧着笔记本蹲在路边调试软件,那酸爽,不是今天的 996 能比的。

经济下滑的同时,互联网产业也受到重创。视频网站、网游、资讯网站等个个人心惶惶,有的公司甚至将传出裁员 90% 转型。当年,百度和阿里巴巴都先后进行了大幅度的调整,才熬过那次寒冬。

经济上的寒意很快传导至就业市场。之后三年,国考的报名人数连续上升:2008年,有80万人报名国考,2009年增加到105万,2010年再次增加到144万,2011年则开始下降。

第三次则是 2018 年,中美贸易大战。今天我们仍在它的余波之内。人们总是对近期发生的事情印象深刻,这里按下不表,我重点说说中间的第二次。

第二次发生在 2012年,很多人可能都没什么印象了,还好互联网是有记忆的。这一年虽然没有什么标志性事件,但一种丝丝不安的情绪在空气中环绕。开年第一个季度,GDP就从2011年的9.5%的水平跳水到了8.1%;财政收入增速更是从2011年25%的水平直接腰斩;PPI则从3月份开始进入一段长达53个月的同比负增长阶段,一直到2016年8月份才出现同比转正。

每当经济增速进入下行周期时,一些长期的问题就被翻了出来。短周期的事实催化了人们对长周期可能的想象。这就和今天一样,人们开始各种担心:担心投资过多需求不足,担心巨额地方融资平台,担心房地产拐点已经确立。甚至有人认为中国经济开始走向长期向下趋势。

结果呢?你 2012 年要是听了他的,今天就活该坐在出租屋里哭,抱怨当年为什么不买房。

2012 年下半年,中日之间围绕钓鱼岛的争端开始扩大。9月18 日,全国很多城市出现了反日爱国集体活动,有些地方甚至出现了过激行为。很多人开始担心,如果真的打起来,要不要上前线?

那种感觉、那种气氛?是不是跟今天特别像?甚至“润”也成了那一年的主题。之后的 2013、2014 两年,投资移民的数目大增,然后从 2015 年开始回落。

就业市场也是一样的。2013 的国考,曾被称为最卷的一年,报考人数在连降 2 年后猛增,达到 150 万人。当时媒体给出的原因是,国考热再次冲高,是当下整个社会就业难的一个缩影。

看看当年的那些新闻、那些情绪、那些不安,是不是隐约有一种穿越的感觉?历史总在不断地重复。人们记住了悲伤,却忘记了那些欢乐。

2012 到今天,中国的人均 GDP 从 3.98 万元涨到了 8.1 万元,我们赶上了移动互联网大爆发的时代,北京的平均房价从 24000 涨到了 60000。很多人的生活发生了翻天覆地的变化。从 2014 直到 2019 年,在互联网和人工智能的推动下,一代人从体制内出来,走进互联网大厂,走进初创公司,或者亲自踏上创业的征程。在波涛汹涌的创造力下,很多业态被颠覆、重构,很多商业模式被重新做了一遍。新经济创造了很多前所未有的工作机会,很多人从一台电脑、一个账号、一个直播间开始,创造了巨大的财富。而这些人之前则从来未被发现过。

经济是波动的,人都是趋利避害的。经济上行时,去抓住红利、努力拼搏;经济下行时,去暂时躺平,寻求一份安全和稳定,本身无可厚非。

就算选择离开,也不是什么大不了的事儿。我的身边,就有很多 08~12 年“润”出去的朋友。他们从硅谷回来,或者加入大厂、或者创办自己的科技公司,短短几年内,有些已经成了行业的领头人物。

近日,复旦发展研究院一项报告显示,00 后比 90 后更倾向体制内工作。于是,有人就说宇宙的尽头是考公;中国的黄金发展期, 一去不复返了……其实冬去春会来,太阳落下明天照样升起,别杞人忧天了。

总之,如果你只是一位普通人,至少要先学会摆脱公众情绪的影响,不要不思考就随波逐流。读过历史的都知道王朝周期律,上过高中的都知道经济周期性,经济是波动上升的,国运是势不可挡的,机会总是留给有准备和正能量的人。#社会#

世界是没有所谓的什么绝对速度可言的,就像人在太空月球上有于空间引力差上的原因就会产生空差物效动态反应关系,在空差物效动态反应关系下,物质和能量处不相对等状态,所以宇宙中为什么会有陨石会产生漂流迹象,这是因为宇宙本身就是处于空差物效不对等关系,在空差物效不对等反应下,宇宙中的所有物质就会产阳极必化,阴极必反的物效动态关系,特别是暗物质和量子能的对冲物效空间状态关系下,于是恒星就这样产生了,有于恒星的物态空间效应关系下,慢慢的产生互压状态,于是空间密度压力就越来越小越来越小,小到原子都无法承受空间的对冲压力空间下,恒星就会产生大爆炸,但是有于恒星自转空间能的爆射源,所以一般来讲恒星是不那么容易产生爆炸关系,而人类的地球因为阳极必反又处于太阳系之中,所以地球因为阴阳相对性缓和原因就会产生生命,因为所有的生命本质上来讲就是有能量结构所形成的一个生态性关系。


发布     👍 0 举报 写留言 🖊   
✋热门推荐
  • #金泰妍ins# kty#金泰妍头像# jty tyjj和金泰妍去最近的海边一个人的电影院随心所欲自由自在睡到自然醒️吃口芝士蛋糕喝杯冰咖啡☕伸个懒腰‍♀️阳光
  • 小刀哥哥抛弃我去横店了 10.小刀哥哥头发应该还有几根倔强地残留着 11.dy小视频…断断续续有拍小素材(但是懒) 12.小破站是那个巴拉巴拉 13.我拍了毛骗
  • 把关注点从自己是个受害者的角度摘取出来是至关重要的,谁拯救了谁并不能让你重新开始,你需要的是抛弃共情心,抛弃过度理解别人,抛弃讨好,丢掉包袱走上求真之路,失去这
  • 可我依然想温暖时光,饱读诗书,努力弥补我这平淡出生,后期绚烂绽放。晚安[月亮] 一夜好眠,小袁和大家!
  • 8月来啦 我还是没变天天在家里待呜呜 今天出课表了 想起要延毕还是好崩溃 不开心 但我现在能坦然说出这件事情了 学会了接受自己 有认清到自己的不足 最喜欢的夏天
  • 4.今日呢[阴险]还精读各位的精进,发现色彩纷呈,在郝晓丽4月10精进第2条里看到梁启超先生的一句名言“人需要懂得负责任的苦处,才能明白尽责任的乐趣”非常受用,
  • 3月11日至3月16日,均在沈阳职业技术学院(大东区劳动路32号)校内活动,未外出。3月11日至3月16日,均在沈阳职业技术学院(大东区劳动路32号)校内活动,
  •   山楂红糖饮有活血调经的作用,适合经期紊乱、月经量少的人士饮用。茴香酒有疏肝理气的功效,适合经期提前或延后、月经量少、经期乳房胀痛等症状的调理。
  • 在野外,卷毛寻猎犬对猎物的猎取欲是热切的、持续的和天生的勇敢;在家庭中,它是安静的和让人怜爱的。文章参考:《从毛姆的小说创作看画家高更对其的影响》作者:梁晴宠物
  • 2022年秋图选网络沈城留墨#秋月新诗新词##情感[超话]##诗词[超话]##带着微博去旅行[超话]# 二刷-柒个我看着大结局莫名还有点儿感动呢朱长江作为几个人
  • 18考研政治重点难点精讲课程【内容】解析政治五部分重点难点(50个常考点覆盖80分)【效果】15讲每天30分钟每天提高2分(10月16-30日)【主讲】金柳安
  • 今天,我想和大家分享的不是MBTI,而是荣格的心理类型。本文第一人称描写,方便理解!减少昵称打字!开始之前,如果你不确定自己是属于哪一种人格类型 可到我置顶微博
  • 今天很难得是暑假里最充实的一天,陪在身边的都是最喜欢的人,吃的是最爱吃的东西,做的都是最想做的事[彩虹屁]是966天 是回不去的冬天 有人问就他做多少都比不过你
  • 《品格论》是拉布吕耶尔一生的唯一作品,从出版到作者离世,八年出了九版,每次再版都有增删修订,第九版的内容比第一版增加了三倍。《品格论》是拉布吕耶尔一生的唯一作品
  • 回家让我有了理性思考的机会与时间,可偏偏现实情况并没有按照自己想象的结果发生,是的,生活总是充满不确定性,永远思考着下一步,感觉太累又不得不去做。鼻相一般,鼻梁
  • 【雅度鸟-新品快报-月销过万件】【全场包邮】【特价中】【有大码的】 【福利:当日代理下单满5单,可以获取公司雅度鸟微供负责人一对一辅导】 推荐理由:雅度鸟:追梦
  • 咱就是说最近的我真的很需要去拜一拜菩萨了倒霉妈妈给倒霉开门 倒霉到家了浅记录一件事7.21早上 也就是今天早上因为我真的起不来 所以有点晚了才出门 急冲冲的去打
  • 马丁终归没有自救成功,即使在花园里在他的自我世界里试图寻找寄托,无果,死亡可能是他逃离这个人性世界继而自由的唯一办法。逃离无果后她曾在社交网络发布视频,透露人群
  • 小新的与世无争,生活的真实也正因为是有这份静气!小新的与世无争,生活的真实也正因为是有这份静气!
  • 未来,聊城市第四人民医院医养中心员工将继续带着这份执着的信念,用精湛的技术、坚持不懈的努力,像“精卫鸟”一样,锲而不舍、默默奉献,以更优质、贴心的医疗服务,安老