人类首张黑洞照片再升级！解读M87星系黑洞偏振光影像与后续

2021 年 3 月事件视界望远镜公布了 M87 星系中心黑洞的黑洞黑洞偏振光影像，图中的照片再升条纹是光的偏振方向。资料来源│EHT Collaboration

光是照片再升一种电磁波，如果光有特定的星系像后续振荡方向，就称为「偏振光」。偏振手机发出的光影光线一般为偏振光，如果透过偏光太阳眼镜观看，人类只能在某个特定角度才能让光通过，其他角度则不透光。资料来源│EHT Collaboration and Fiks Film

M87 星系中心黑洞的自转方向（顺时钟）与周围光线偏振方向（逆时钟）刚好相应，而这个特定的偏振方向，也就形成黑洞照片上类似丹麦甜甜圈的特殊纹路。资料来源│EHT Collaboration and Crazybridge Studios

图片为 M87 黑洞的多波段影像。 EHT 拍到黑洞事件视界附近的「甜甜圈」影像，而其他波段的望远镜则拍到黑洞附近狭长而笔直的喷流。资料来源│中研院天文所 

从 2009 年之后，事件视界望远镜的天线成员数量陆续增加，台湾目前总共贡献了 4 座望远镜的营运与仪器技术。资料来源│中研院天文所 

松下聪树在访谈中提到，未来在格陵兰望远镜和高频观测的技术支援下，黑洞照片解析度可望提升到 15×15 像素。资料来源│松下聪树

M87 黑洞观测影像与理论模型比较，可预期未来观测解析度提高之后，有机会看到更多细致的结构。资料来源│S. Issaoun, M. Mościbrodzka with Polarimetry WG and OWG
（神秘的地球uux.cn报道）据《研之有物》（采访撰文：欧柏升、简克志 美术设计：林洵安）：解读黑洞偏振光影像
继 2019 年 4 月人类首度拍到 M87 星系中心的黑洞照片之后，今年 3 月事件视界望远镜（Event Horizon Telescope，简称 EHT）成功从复杂资料中取得新的影像，也就是 M87 黑洞的「偏振光」影像。这张照片和两年前有什么不同？台湾研究团队做出了哪些贡献？科学家追求高解析度的黑洞影像，又对黑洞研究有什么重要意义呢？ 「研之有物」专访台湾“中央研究院”天文及天文物理所松下聪树研究员，和大家介绍这张新的黑洞偏振光影像，以及未来黑洞观测持续努力的方向。
黑洞照片不只是一张「甜甜圈」
还记得 2019 年 4 月人类首度拍到第一张黑洞照片的感动吗？那张关于 M87 星系中心的黑洞影像，有点模糊，又有点有趣，当时很多人开玩笑地称为「甜甜圈」或「猫眼」，相关的网路迷因创作层出不穷。到了 2021 年 3 月，事件视界望远镜发表了最新成果：M87 星系中心黑洞的「偏振光」影像，照片看起来似乎又更清楚了。如果要解读这张新的「丹麦甜甜圈」，就必须先了解「偏振光」。
黑洞偏振光影像为何长这样？
首先，什么是偏振光呢？松下聪树在访谈中做了简单演示：拿出一副太阳眼镜，放在手机萤幕和观测者（你）中间「过滤」光线。当镜片在某个特定角度时，我们可以顺利看到手机画面；但是当镜片旋转到其他角度后，萤幕光线就会被挡住，无法透光。
这个演示实验的背后原理，就是光的「偏振」。光是电磁波，可以沿着垂直于行进方向的各个角度振荡。假如一束光只在特定方向振荡，那就是「偏振光」。手机发出的光线通常是偏振光（因为萤幕出厂都会贴上偏光片），如果我们放上同样具有偏振片功能的太阳眼镜，就必须把镜片旋转到电磁波振荡的方向，光线才能穿透。
其次，测量光的偏振方向，可以帮助科学家了解黑洞周围磁场。因为黑洞附近的电浆带有磁场，这些电浆发出的光，偏振方向通常都是垂直于磁场。从观测结果取得偏振光资料，科学家就可解析黑洞磁场。那么，要如何解读这张「丹麦甜甜圈」照片的「纹路」呢？
所谓「纹路」，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会这么特别？根据最新研究指出，M87 星系中心的黑洞自转轴是指向外太空并远离地球的，从地表上观测黑洞，其自转方向为顺时钟，连带地让周围光线的偏振方向变成逆时钟（因为必须与周围磁场方向垂直），也就是照片上类似丹麦甜甜圈的「纹路」啰。请见下图。
从偏振光了解周围磁场之后，科学家就可以进一步解析黑洞。目前科学家已知 M87 星系中心的黑洞拥有狭长而笔直的喷流，从黑洞旁边约 0.01 光年的距离，延伸到数千光年外的范围。喷流要跨越这么庞大的空间，又能够保持笔直，需要非常庞大的能量才能办到。天文学家推测，这可能要归功于黑洞周围的磁场。
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1%，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征，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，由七座望远镜共同完成，而台湾参与了其中三座望远镜的运作，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），台湾总共贡献了四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钟浩的贡献──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、台湾师范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。
拍到黑洞影像之后呢？
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，总共使用七座天线。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弥漫的气体所带有的磁场，帮助我们了解黑洞、磁场与喷流的关系。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，空间解析度也会显著提高。
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，智利够高且干燥，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致的结构，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系，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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