#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。
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照见五蕴皆空讲解#(63)依是流转,今行者由禅定之力,破尽色阴,深知性色真空,性空真色,也就是説如果劫浊离开色阴,就没有自体可言,所以佛世尊才説色阴既尽,这个人就能够超越劫浊!

「观其所因,坚固妄想,以为其本」.众生莫不皆坚持固执,内之四大为实我,外之四大为实法.可是色本无色,观其成色之来由,乃从一念迷妄而有虚空,空与见相织,有空无体,有见无觉,见欲所见,其念坚固牢不可破,由坚固妄念,凝结而成色.如前文:「坚明立碍,彼金宝者,明觉立坚,故有金轮,保持国土」.据此便知色阴,是坚固妄想为根本.故此以佛眼观其色阴之所由,不过众生妄想,坚固执着而已.否则,若我法实有,如何可尽?正因色法唯以坚固妄想,以为其本,所以吾人修“奢摩他”便可破除。

经文:【阿难!彼善男子,修三摩提,奢摩他中,色阴尽者.见诸佛心,如明镜中,显现其像.若有所得,而未能用.犹如魇人,手足宛然,见闻不惑.心触客邪,而不能动.此则名为受阴区宇.若魇咎歇,其心离身,返观其面.去住自由,无復留碍,名受阴尽.是人则超越见浊.观其所由,虚明妄想,以为其本。】
经文大意:阿难!那些在修止观、禅定的止定境界中,色阴已尽的行者,就会见到一切佛心,宛如明镜当中显现出影像一样.好像有所得,而未能生起作用,则如梦中被魔魇煞的人,手足宛然存在,见闻之性,也不迷惑,只是此心被客邪所魇触,而不能动耳.这种境界,叫做受阴区宇.如果被魇煞之事,已经消歇,则其心就可离身,可以返观其面,来往去住自由,再没有留碍的话,就名为受阴尽.这个人就可以超越见浊.若仔细的观察这种来由,就会发见为:虚以发明,颠倒妄想,以为其本的。未完待续!(意通)

极 可能是紧凑型SUV的终结者
——东风风神重磅SUV皓极正式亮相

千呼万唤“驶”出来,2022年4月13日,东风DSMA平台首款SUV、东风马赫双擎首款SUV——东风风神皓极正式亮相,宣告加入2022年的混动大战;同时,东风风神“ 风之星”元宇宙社区虚拟体验空间也正式宣布开服。
皓极的本次亮相发布,从虚拟到现实、从自然风光到城市生活,东风风神以创新视角解读造车逻辑,成功引发“极 可能是紧凑型SUV的终结者”话题讨论,事实上,皓极以一款中级SUV的产品标准打入紧凑级市场,以越级优势,致力于成为自主主流SUV中最具活力的那条“鲶鱼”。
 
“元宇宙”的热点,蹭得极其自然并引人遐思
彰显智能形象,皓极率先推出的是一位虚拟人物——皓妹妹,她既是皓极智能车机管家,也是东风风神元宇宙社区管家,由皓妹妹携手车评人“虎哥”(于虎),一起穿梭于虚拟元宇宙与现实世界,采集自然的“风语”之美、领略城市的人间烟火、集合未来的智能想象与机械魅力、洞察真实用车场景的烦恼与痛点,最终成功破解造车的“温度”密码。“元宇宙皓妹妹”的虚拟视角,揭秘的正是皓极研发工程师们的产品研发视角——造一台技术领先的、唯美惊艳的、有人文温度的车。而这,正是皓极能够喊出“极 可能是紧凑型SUV的终结者“的底气所在。
 
极 可能是最自然的风语设计
皓极的前脸在力量与柔和之间,达到了极佳的平衡,26根大气立柱向上延伸组成直瀑式前格栅,像风刃撕开激流,给人扑面而来的力量感;一体贯穿式灯带向两边延伸,联动飘逸的日行灯,像随风律动的智能旗语,具备4种光语动画模式,人车完美互动的同时仪式感满满。
 
侧面的设计,将皓极修长且优雅的身材体现的淋漓尽致,缓缓下滑的流线车顶,配合D柱回旋,尽显极风回旋之美,106mm肩宽设计,营造出大气的宽体视觉,优雅流畅的腰线,像一条风线之轨任意驰骋,降低风阻的同时,迎风即是驭风。
 
车尾的造型,像山峦也像海浪,多层次上下如风吹叠浪起伏,使车尾整体呈现大气而丰富的想像空间,配合一体式贯穿尾灯横向伸展,于力量与优雅之间收放自如。
 
车内的设计则更具温度,环抱式座舱像风的怀抱让人眷念,灵动起伏的IP中控台,像风吹过的沙丘,车门缝线则刻画了清风徐来的曲线,带来赏心悦目的温柔与安全感。每一处机械几何、人体工学与自然美学的交互,都诠释着最自然的风语设计。
 
极 可能是最舒适的移动大床
每一个有爱的驾驶者,心里装着的都是对家人满满的款待与呵护。
1910mm极致宽体,2825mm越级轴距,直接带来的便是超越同级的乘坐空间与极致的舒适享受,和紧凑级轻松说再见;占比接近54%的大面积NAPPA纹理软质包覆,配合0压大沙发座椅,提供包裹承托的同时细腻亲肤,所触之处,皆为舒适。
 
不得不提的是,皓极在副驾配置了同级少见的电动腿托,为车主爱人专门打造“女王副驾“,彰显家人的专属尊贵,也让车主在工作之余的午睡小憩,有了更为舒适的享受;后排座椅靠背10档可调,配备舒适航空头枕,呵护每一位家人的旅程,更别提后排座椅实现纯平放倒这一功能,在多场景下兼得舒适与实用。座舱变成移动大床,让无处不在的舒适成为“极可能”。
 
极 可能是混动SUV中的磁悬浮
混动的省油,已经众所周知,但如何在混动优异的燃油经济性基础上,提升年轻人绝不能妥协的动力性能?皓极搭载的马赫双擎MHD混动系统给出了高分答案。
皓极率先推出的马赫双擎MHD混动系统,可在90%工况达到90%以上的系统效率,最大化保留了动能转化,180kW的综合功率、540N·m的系统综合扭矩足以傲视竞品,起步加速响应时间短至0.15s, 被称为“混动SUV中磁悬浮”绝不为过;而皓极燃油版搭载的,则是以赛道性能著称的马赫动力1.5T发动机,有着150kW的最大功率、305N·m的最大扭矩,性能堪比大多数普通2.0T发动机,动力表现同样抢眼。
 
匹配领先的马赫双擎动力,皓极提供“i-驾趣模式”——可实现8档动力自定义调节模式,与两种方向盘转向力度可调,为驾驶者在动力与省油、驾控与驾趣之间,提供了丰富的个性化体验。
 
极 可能是来自未来元宇宙的智能管家
皓妹妹、好妹妹,在未来的汽车生活中,人车交互、智能陪伴已成为大势所趋,皓极智能女孩皓妹妹的出现,极可能将成为皓极车主驾驶途中的另一位灵魂伴侣。
皓妹妹作为皓极善解人意的车机助手,在东风风神新一代WindLink车机系统加持下实现强大的语音交互功能。当车主心有所想,只需一声令下,皓妹妹即会提供最贴心的服务响应。
 
配合全车智能,皓极别出心裁地打造了游戏手柄式概念方向盘,简洁却多功能的设计、恰到好处的手感和反馈逻辑,让用户迅速上手盲操。540度全景影像功能,实时透视底盘之下的路况,不遗漏驾驶过程任一死角。AR投影智能尾门,让用户解放双手,告别购物后尴尬的“金鸡独立”,感受到与智能科技的梦幻联动。
 
在皓极亮相伊始,东风风神“风之星”社区便同步正式开服,皓妹妹作为元宇宙社区的智能管家,将在虚拟社区为用户提供全面的体验指引。在发布会故事片中,与皓妹妹一起共创造车的“虎哥”已经顺理成章地登陆 “风之星”,并成为了001号数字居民,欢迎更多用户入驻“风之星”社区,感受元宇宙沉浸式玩车体验。
 
东风风神皓极的全球首次亮相,以创新形式,满足了众多用户对理想汽车的想象与憧憬,风语设计造型灵感、零压舒享的空间呵护、未来感十足的智能座舱、马赫双擎动力带来的磁悬浮般极速驾控……这一切,都将打破目前主流SUV的固有格局,皓极,“极 可能是紧凑型SUV的终结者”。
据悉,皓极计划将于2022年5月下旬开启预定,且将在第三季度正式上市,敬请期待。 https://t.cn/RxBHUwf


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