|作者：侯業(yè)輝1 郭敏勇2 陳斌3,?

(1 上海交通大學李政道研究所）

(2 北京師范大學物理與天文學院）

(3 寧波大學 基礎(chǔ)物理與量子科技研究院）

本文選自《物理》2025年第10期

1引 言

2019年4月10日，一張模糊的橙色光環(huán)照片震撼了全世界。這是人類歷史上第一張黑洞照片，由“事件視界望遠鏡”(EHT)合作組拍攝，展現(xiàn)了位于M87星系中心的超大質(zhì)量黑洞的“陰影”[1]，如圖1所示。2022年，EHT又公布了銀河系中心黑洞SgrA*的圖像[2]，再次讓人類“看見”了宇宙中最神秘的天體之一。

圖1 (a，b)EHT公布的M87*和SgrA*的黑洞成像照片，其中亮度反映輻射的亮溫分布；(c，d)EHT公布的M87*和SgrA*的偏振結(jié)構(gòu)圖像

但這僅僅是開始。就像醫(yī)生通過X光片不僅要“看到”骨頭，還要“讀懂”病情一樣，天體物理學家也在努力解讀這些黑洞圖像背后的物理信息：這個黑洞有多重？它在自轉(zhuǎn)嗎？它轉(zhuǎn)得有多快？這些問題的答案，藏在圖像中微妙的細節(jié)里。

最近，科學家們發(fā)現(xiàn)了一種全新的“解碼”方式：通過分析圖像中非?？拷诙词录暯缒遣糠值摹捌瘛毙畔ⅲ覀兓蛟S能讀出黑洞獨一無二的“指紋”，甚至測出它的自轉(zhuǎn)速度[3]。這項突破性的理論研究為我們認識黑洞、檢驗愛因斯坦的廣義相對論，打開了一扇新的窗口。

2光的偏振

我們每天都在接觸光，但光不僅有顏色、亮度等屬性，它還有一個不太容易察覺但非常重要的特性：偏振。簡單來說，偏振描述的是光波振動的方向。

其實，我們生活中經(jīng)常遇到偏振現(xiàn)象。比如偏光太陽鏡，它利用光的偏振特性來減少反射眩光。偏振鏡片僅允許振動方向與偏振軸平行的光線通過，從而將雜散光轉(zhuǎn)換為平行光，消除不規(guī)則反射產(chǎn)生的眩光，讓視野更清晰。再比如，很多液晶屏幕(如手機或筆記本)也會利用偏振原理成像，這就是為什么當從某個角度看屏幕時會變黑或變色的原因。

在宇宙中，光的偏振常常受到磁場的影響。例如，當帶電粒子在強磁場中高速運動時，會發(fā)出一種叫“同步輻射”的光，這種光往往是高度線偏振的[4]。也就是說，它的振動方向并不是雜亂無章的，而是有規(guī)律的。這種規(guī)律性，正是科學家解碼黑洞圖像的關(guān)鍵。

3旋轉(zhuǎn)的黑洞會“攪動”時空

愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，黑洞不僅能扭曲空間和時間，還能“拖動”它們。想象一下，一個巨大的陀螺在水中旋轉(zhuǎn)，會帶動周圍的水流跟著打轉(zhuǎn)。類似地，一個旋轉(zhuǎn)的黑洞也會讓周圍的時空“旋轉(zhuǎn)”——這就是所謂的“參考系拖曳效應(yīng)”[5]。圖2給出了旋轉(zhuǎn)黑洞所導致的時空拖曳效應(yīng)的藝術(shù)化呈現(xiàn)。

圖2　旋轉(zhuǎn)黑洞所引起的時空拖曳效應(yīng)的藝術(shù)化示意圖

這個概念聽起來有些抽象，但它其實有現(xiàn)實中的實例。比如，地球本身也是一個旋轉(zhuǎn)的天體，它的自轉(zhuǎn)會對周圍的時空造成微弱的拖曳效應(yīng)?？茖W家通過精密實驗，比如利用激光陀螺儀或測量人造衛(wèi)星軌道的微小偏移，已經(jīng)在地球附近驗證了這一效應(yīng)[6，7]。甚至我們?nèi)粘Ｊ褂玫腉PS系統(tǒng)，除了高速運動導致的狹義相對論效應(yīng)之外，也必須考慮時空彎曲帶來的廣義相對論，才能保證定位的準確性。

而在黑洞附近，這種拖曳效應(yīng)會變得極其強烈。它扭曲黑洞周圍磁場的形狀，改變光的傳播路徑[8]。

4黑洞的“指紋”能告訴我們什么？

人們常常把黑洞想象成一個“吞噬一切”的黑暗巨獸，但實際上，我們看到的黑洞圖像更多是它周圍的吸積物質(zhì)，也就是被黑洞引力吸引、圍繞它高速旋轉(zhuǎn)的氣體和塵埃[9]。

黑洞的自旋，是描述其旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的一個基本物理量。它不僅決定了黑洞吞噬周圍物質(zhì)的方式，還影響其釋放能量的效率，甚至可能對整個星系的結(jié)構(gòu)與演化產(chǎn)生深遠影響。比如，一些高速旋轉(zhuǎn)的黑洞會從兩極噴射出強大的等離子體噴流[10]，綿延數(shù)十萬光年，對星系中的氣體分布和恒星形成起到“調(diào)控”作用。

作為黑洞的關(guān)鍵參數(shù)，自旋的測量在天體物理學中占據(jù)重要地位。然而，迄今為止，如何實現(xiàn)對黑洞自旋的精準測定，仍然是一大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)方法通常依賴于分析X射線的發(fā)射譜，或追蹤吸積盤中物質(zhì)的運動軌跡[11，12]。這些方法往往需要建立復(fù)雜的理論模型，對吸積盤的溫度、密度、視角等參數(shù)做出假設(shè)，因此結(jié)果容易受到模型不確定性和吸積狀態(tài)變化的干擾，精度有限。

為突破這一瓶頸，我們研究團隊聚焦于旋轉(zhuǎn)黑洞附近的極端物理環(huán)境。研究發(fā)現(xiàn)，在黑洞自旋引發(fā)的“參考系拖曳效應(yīng)”作用下，事件視界附近的磁場線會被扭曲成高度螺旋狀的結(jié)構(gòu)，進而引導等離子體沿特定方向運動。這種有序的磁場與等離子體分布，會在偏振圖像中留下清晰而 穩(wěn)定的“指紋”特征[3]。

更為重要的是，這種“近視界偏振”模式具有高度的普適性：在理想條件下，其形態(tài)主要由黑洞自身的時空幾何決定，而對吸積物質(zhì)的具體細節(jié)(如速度、密度、溫度等)依賴甚微。換句話說，無論黑洞周圍的氣體如何流動、磁場如何改變，這些偏振特征依然穩(wěn)定存在，成為直接反映黑洞“個性”的物理標記。圖3給出了旋轉(zhuǎn)黑洞事件視界附近所呈現(xiàn)的典型偏振圖案。

圖3　觀者的像平面上事件視界邊緣的偏振分布，其中雙向箭頭表示了線偏振的方向。圖中

a

通俗地說，這種偏振圖像就像黑洞留下的“簽名”，每一個黑洞都有一套獨特的偏振結(jié)構(gòu)，記錄著它的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。就像我們通過指紋識別身份，科學家也可以通過這些“偏振指紋”識別黑洞的自旋方向和快慢。具體而言，黑洞自旋直接決定了事件視界附近電矢量偏振角的取向：當自旋接近零時，偏振呈徑向分布，電矢量偏振角為0°；隨著自旋增加，偏振逐漸展現(xiàn)出螺旋結(jié)構(gòu)；在極高自旋極限下，電矢量偏振角約為-26.8°。這種方法不僅更直接、更穩(wěn)定，還為未來黑洞參數(shù)的測量提供了一種全新的觀測途徑。

相關(guān)研究成果已發(fā)表于

The Astrophysical Journal Letters

5未來的黑洞觀測新視角

目前，EHT已經(jīng)能夠測量黑洞圖像中的偏振信息，并在2021年和2024年先后公布了M87*和SgrA*的偏振圖像[13，14]，如圖1(c)，(d)所示。這些圖像顯示，黑洞周圍的磁場呈現(xiàn)出高度有序的結(jié)構(gòu)，支持了同步輻射和偏振的理論預(yù)期。

隨著望遠鏡陣列的擴展和觀測技術(shù)的進步，未來的黑洞圖像將更加清晰，偏振測量也將更精確[15]。這將使科學家們能夠真正應(yīng)用近視界“偏振指紋”技術(shù)，大規(guī)模測量黑洞的自旋，為我們繪制一幅宇宙黑洞的“性格地圖”。

不僅如此，如果某一天科學家發(fā)現(xiàn)某個黑洞的近視界偏振圖像與愛因斯坦的預(yù)測不符，那可能意味著我們對引力的理解還不完整，甚至可能發(fā)現(xiàn)新的物理規(guī)律。這正是科學最令人激動的地方：每一次觀測，都是一次對宇宙基本法則的挑戰(zhàn)。

6從看見到理解，黑洞不再神秘

從最初的“黑洞剪影”，到如今的“黑洞指紋”，人類對宇宙最神秘天體的認識正一步步深入。偏振圖像不僅是技術(shù)上的突破，更是觀念上的飛躍——它讓我們意識到，黑洞并不是一個簡單的“黑點”，而是一個有結(jié)構(gòu)、有性格，甚至有“表情”的宇宙角色。

未來，隨著觀測技術(shù)的不斷提升和理論模型的不斷完善，我們或許能真正“看見”黑洞的內(nèi)部，甚至揭開宇宙最深處的秘密。而這一切，正是從那一束有方向的光開始的。

參考文獻

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[13] Event Horizon Telescope Collaboration，Astrophys. J. Lett.，2021，910(1)：L12

[14] Event Horizon Telescope Collaboration，Astrophys. J. Lett.，2024，964(2)：L25

[15] Johnson M D et al. Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng.，2024，13092：130922D

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