m87光线威力，偏振光下M87超大质量黑洞图像公开

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采访|欧、简克志美术设计|林耀安

解读黑洞偏振光影像

继2019年4月拍摄到M87星系中心黑洞的首张照片后，今年3月，视界望远镜又成功从复杂数据中获得了新的图像，即M87黑洞的“偏振光”图像。这张照片和两年前有什么不同？台湾研究团队有什么贡献？科学家追求高分辨率的黑洞图像对黑洞研究有什么意义？《有物研究》采访了中科院天文与天体物理研究所的松下聪研究员，介绍了这张新的黑洞偏振光图像，以及未来黑洞观测继续努力的方向。

00-1010还记得2019年4月第一张黑洞照片吗？M87星系中心黑洞的图像有点模糊和有趣。当时，许多人开玩笑地称之为“甜甜圈”或“猫眼”，相关的网络模因也相继产生。到2021年3月，事件视界望远镜公布了最新成果：M87星系中心黑洞的“偏振光”图像，看起来更加清晰。想要解读这款新丹麦甜甜圈，首先要了解“偏振光”。

2021年3月，视界望远镜公布了M87星系中心黑洞的偏振光图像。图像中的条纹是光的偏振方向。图//EHT协作

「黑洞照」缔新猷，不只是甜甜圈！

首先，什么是偏振光？松下聪在采访中做了一个简单的演示：拿出一副墨镜，放在手机屏幕和观察者(你)之间，对光线进行“过滤”。当镜头处于某个角度时，我们可以流畅地看到手机的画面；但当镜头旋转到其他角度时，屏幕光线会被遮挡，无法透光。

这个演示实验背后的原理是光的“偏振”。它是光的电磁波，可以垂直于传播方向以各种角度振荡。如果一束光只在特定的方向振荡，那就是“偏振光”。手机发出的光通常是偏振光(因为出厂时屏幕会贴偏光片)。如果我们戴上同样起偏器功能的太阳镜，必须把镜片旋转到电磁波振荡的方向，光线才能穿透。

光是一种电磁波。如果光有特定的振荡方向，则称为“偏振光”。手机发出的光一般是偏振光。如果通过偏光太阳镜观看，光线只能在某个角度通过，其他角度都是不透明的。图/EHT合作与fixsfilm其次，测量光的偏振方向可以帮助科学家了解黑洞周围的磁场。因为黑洞附近的等离子体有磁场，所以这些等离子体发出的光的偏振方向通常是垂直于磁场的。科学家可以通过从观测结果中获取偏振光数据来分析黑洞磁场。那么，如何解读这张“丹麦甜甜圈”照片的“纹路”呢？

所谓“颗粒”，就是黑洞周围光线的特定偏振方向。但是为什么光的偏振方向如此特殊呢？根据最新研究，M87星系中心黑洞的旋转轴指向外太空，远离地球。从表面观察黑洞时，其旋转方向为顺时针，共同使得周围光线的偏振方向变为逆时针(因为必须垂直于周围磁场的方向)，即照片中的“线条”类似于丹麦甜甜圈。请看下图。

M87星系中心黑洞的旋转方向(顺时针)恰好与周围光线的偏振方向(逆时针)相对应，而这种特定的偏振方向也在黑洞照片中形成了类似丹麦甜甜圈的特殊图案。图/EHT合作和疯狂桥工作室从偏振光中了解周围磁场后，科学家可以进一步分析黑洞。目前科学家知道M87星系中心的黑洞有一条狭长笔直的喷流，距离黑洞约0.01光年，延伸到数千光年之外。喷气式飞机要飞越如此巨大的空间需要大量的能量

图片是M87黑洞的多波段图像。EHT在黑洞视界附近捕捉到了“甜甜圈”图像，而其他波段的望远镜在黑洞附近捕捉到了窄而直的图像。

的喷流。图／中研院天文所

M87 黑洞偏振光影像，可能看起来只是一张比较清楚的「甜甜圈」，然而实际上要得到黑洞偏振光影像非常困难。这次的偏振光影像和 2019 年公布的首张黑洞照片皆来自同一次观测，但要耗费更多时间处理资料。因此，2019 年的影像仅显示了黑洞周围的光强度，而偏振光影像则要到 2021 年才公布。

松下聪树说明，因为黑洞附近光的偏振比例通常不到 10%，所以偏振讯号大概只有光强度的百分之一，非常微弱。而且，所有资料必须仔细校正，去除仪器所产生的偏振，确保讯号来自天体。观测所用到的每个望远镜各有不同特徵，天文学家需确保全部资料完成校正，是非常艰难的任务。

台湾团队在黑洞观测的贡献

松下聪树指出，台湾对黑洞观测有重大贡献。目前公布的黑洞影像是来自 2017 年的观测结果，由 7 座望远镜共同完成，而台湾参与了其中 3 座望远镜的运作，分别是阿塔卡玛大型毫米及次毫米波阵列（ALMA）、次毫米波阵列（SMA）及麦克斯威尔望远镜（JCMT）。再加上 2018 年顺利上线的格陵兰望远镜（GLT），台湾总共贡献了 4 座望远镜的营运与仪器技术。

资料分析方面，台湾的研究团队也举足轻重。松下聪树特别提到中研院天文所博士后研究朴锺浩的贡献──他负责撰写资料处理程式，完成非常困难的校正工作，于是能产生这幅偏振光影像。另外，中山大学郭政育教授、台湾师範大学卜宏毅教授都参与了此次研究。中研院参与 EHT 的人员，还包括浅田圭一参与科学委员会，包杰夫（Geoffrey Bower）担任 EHT 计画科学家，而松下聪树本人则也领导工作团队。

松下聪树说，台湾能够参与 EHT 的关键，在于「我们在台湾有世界尖端的科技」，因此对于国外研究单位来说有相对大的影响力。

拍到黑洞影像的下一步？

事件视界望远镜（EHT）的任务并不是拍到黑洞就收工，随着更多仪器上线，未来有望揭开更多黑洞的奥秘。

最初 2017 年的观测，也就是目前所公布的黑洞影像，总共使用 7 座天线。到了 2018 年格陵兰望远镜开始加入，由于格陵兰和其他天线距离遥远，把观测的基线拉长，因此可以增加约 50% 的解析度。

2021 年 4 月，事件视界望远镜又完成一次新的观测。这次有美国的基特峰天文台（Kitt Peak National Observatory）和法国的北方扩展毫米阵列（NOEMA）加入，观测的解析度和灵敏度都提高了。

松下聪树说明，目前公布的黑洞影像，只看到黑洞旁边的磁场。新的观测则有望侦测到外围瀰漫的气体所带有的磁场，帮助我们了解黑洞、磁场与喷流的关係。科学家正在紧锣密鼓分析这批资料，期待会有好的结果。

此外，目前EHT正在测试更高频率的观测。原先观测 220 GHz 的电波（波长 1.3 毫米），过几年后则有机会让所有天线做 345 GHz 的观测（波长 0.87 毫米），波长比之前短了将近一半，空间解析度也会显着提高。

我们目前看到的「甜甜圈」，解析度只有 3×3 像素。2018 年加上格陵兰望远镜，解析度可到 5×5 像素。未来频率提高到 345 GHz 之后，可再提升到 7×7 或 8×8 像素。

还有另一个希望，就是将格陵兰望远镜搬到山上，天气条件更好，有机会进行更高频率（660 GHz）的观测，解析度可再上升至 15×15 像素。高达 660 GHz 频率的电磁波通常会被水蒸气吸收，需要水气很少的地方才能观测，甚至连夏威夷也只有很少数日子有这种条件。松下聪树说，智利够高且乾燥，格陵兰则够冷，可以满足观测条件。

高频率观测是下一代计画，还没人有把握能够成功，不过松下聪树正面看待。他说，刚开始组织 EHT 的时候，「大家都说拍摄黑洞影像是不可能的，但是我们让它变成可能了。」

为何追求高解析度影像？

松下聪树说明，根据理论模型，黑洞应该有许多更细緻的结构，但是在目前公布的影像中仍然糊成一团。一旦有了更高解析度的影像，就有机会辨认出事件视界的精确位置，以及分辨流出和流入的气体。黑洞能量的来源是流入的气体，高解析度观测可告诉我们，黑洞怎么吃进气体，以及磁场在其中的角色。

不仅如此，黑洞的半径和质量呈简单的线性关係，若能精确测得黑洞的半径，则可以了解黑洞如何成长，甚至推测早期宇宙的黑洞如何诞生。此外，黑洞的旋转会拖曳时空，造成影像的些微变化，高解析度的观测可以分辨得出来。

松下聪树说：「黑洞的直接影像，开启了天文与物理新的领域。这不是结束，只是开始。」目前我们看到的「甜甜圈」影像只是个开始，未来还精彩可期。

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