上海天文台揭示首张黑洞照片背后的物理:起源于“疯狂”吸积流

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IT大王 1 月 22 日消息，据上海天文台网站，2019 年 4 月 10 日，事件视界望远镜国际合作组织（EHT）宣布得到了第一张黑洞（M87）照片。这张照片的中心是一个近似圆形的黑暗区域，该区域被一个发光的亮环包围。中间的黑色圆圈是由于黑洞的存在导致的，发光的亮环则来自黑洞周围的“吸积流”气体。针对“吸积流本质是怎样的”问题，上海天文台袁峰研究员课题组进行了研究，发现该吸积流中磁场很强，属于磁主导的“疯狂”吸积流。IT大王了解到，该成果近日发表在了《天体物理杂志》(ApJ) 上。

据介绍，黑洞吸积流是旋转的，旋转吸积流要想能够落入黑洞，仅仅靠黑洞的引力是不够的，还需要物理机制来减慢气体的旋转。Balbus 和 Hawley 的研究发现这一机制就是磁场，该成果 2013 年获得了邵逸夫天文奖。后来，著名天体物理学家 Narayan 等人进一步的研究预言，宇宙中存在两种吸积流，一种是“正常”吸积流，另外一种是“疯狂”吸积流，前者磁场较弱，后者磁场很强。除了磁场外，两种吸积流其他方面也存在很大不同，而且还决定了黑洞喷流的形成。

▲ 左图：“正常”吸积流，右图：“疯狂”吸积流 | 图源：上海天文台网站

那么，首张黑洞照片中的吸积流属于哪一种呢？这个问题也一直是 EHT 的研究课题之一。经过努力，他们观测得到了偏振光下该黑洞的照片。利用该照片，结合针对“正常”与“疯狂”吸积流的数值模拟以及复杂的偏振光辐射转移计算，他们推断吸积流非常可能是“疯狂”吸积流。EHT 合作组于 2021 年 3 月召开新闻发布会宣布了这一成果。然而，正如论文中指出的，EHT 观测的是距离黑洞很近的吸积流的辐射，由于黑洞附近广义相对论效应很强、吸积流是强湍动的、以及难以准确确定吸积流中电子的温度和非热电子数目等原因，导致这一研究结果存在不确定性。

为此，上海天文台的袁峰研究员课题组独辟蹊径，利用天文学家 2019 年得到的对距离该黑洞 1 万至 10 万黑洞半径处区域的射电偏振观测数据重新研究了这一问题。由于黑洞吸积伴随着很强的外流（风和喷流），而且这些外流充满了从黑洞到至少 100 万黑洞半径的区域，不同的吸积流肯定就会在这些区域留下“痕迹”。所以，结合该偏振观测数据以及理论模拟，通过计算并比较一个叫“旋转量”(Rotation measure) 的物理量，我们就可以确定吸积流的物理本质。与 EHT 数据不同，由于观测的是距离黑洞较远处的气体，因此广义相对论效应、吸积流的湍动效应都很弱，也不需要考虑对电子温度和对非热电子的依赖。此项研究的结果令人信服地证明，该黑洞的吸积流的确是磁主导的“疯狂”吸积流。由于宇宙中很大部分超大质量黑洞周围的吸积流都跟 M87 中的类似，这一工作对于我们理解宇宙中黑洞吸积流的物理本质迈出了重要一步。

▲ Y 轴代表“旋转量”，X 轴代表到黑洞距离。图中黑色圆点代表观测结果，棕色、绿色区域分别代表疯狂吸积流和正常吸积流预言的旋转量。图中三条曲线展示的是两种吸积流情况下三个吸积率的结果 | 图源：上海天文台网站