背景

黑洞是宇宙中最神秘的天體之一，它們的存在和性質(zhì)是廣義相對(duì)論的重要預(yù)言。黑洞的特征是它們的事件視界，也就是黑洞的邊界，任何物質(zhì)或光線都無(wú)法從事件視界逃逸出來(lái)。因此，黑洞本身是不可見的，但是我們可以通過觀測(cè)黑洞周圍的物質(zhì)來(lái)間接地探測(cè)黑洞的存在和性質(zhì)。

黑洞有兩個(gè)基本的參數(shù)，就是它們的質(zhì)量和角動(dòng)量。質(zhì)量決定了黑洞的大小，而角動(dòng)量決定了黑洞的旋轉(zhuǎn)速度。黑洞的旋轉(zhuǎn)能量是一個(gè)巨大的能源，如果能夠被有效地利用，就可以為一些強(qiáng)大的天體現(xiàn)象提供動(dòng)力，比如黑洞噴流。黑洞噴流是一種從黑洞附近發(fā)射出來(lái)的高速、高能的物質(zhì)流，它們可以延伸到幾百萬(wàn)光年的距離，是宇宙中最明亮的電磁輻射源之一。

黑洞噴流的形成機(jī)制是一個(gè)長(zhǎng)期的未解之謎，但是一個(gè)廣泛接受的理論是由 Blandford 和 Znajek 在 1977 年提出的，他們認(rèn)為黑洞周圍的電磁場(chǎng)可以從黑洞的旋轉(zhuǎn)中抽取能量，并且將這些能量轉(zhuǎn)化為噴流的動(dòng)能。這個(gè)過程被稱為 Blandford-Znajek 機(jī)制，它是一種電磁能量抽取的方式，也就是說，黑洞的旋轉(zhuǎn)能量通過電磁場(chǎng)的作用被輸送到遠(yuǎn)離黑洞的區(qū)域，形成一個(gè)向外的能量流，也就是 Poynting 流。

觀測(cè)

要驗(yàn)證 Blandford-Znajek 機(jī)制是否真的發(fā)生在黑洞周圍，我們需要能夠觀測(cè)到黑洞附近的電磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和變化。幸運(yùn)的是，近年來(lái)，一個(gè)國(guó)際合作的項(xiàng)目，叫做事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT），已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)黑洞周圍的物質(zhì)進(jìn)行高分辨率、事件視界尺度的觀測(cè)。EHT 利用了一種技術(shù)，叫做長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI），它可以將地球上不同地點(diǎn)的射電望遠(yuǎn)鏡連接起來(lái)，形成一個(gè)相當(dāng)于地球大小的虛擬望遠(yuǎn)鏡，從而達(dá)到極高的分辨率。

EHT 的目標(biāo)之一是觀測(cè) M87 星系中心的超大質(zhì)量黑洞，它是一個(gè)質(zhì)量約為 65 億倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，它距離我們約為5400萬(wàn)光年，它的事件視界的直徑約為4 億公里。M87* 也是一個(gè)有噴流的黑洞，它的噴流長(zhǎng)度超過了5000光年，是宇宙中最壯觀的噴流之一。

EHT 不僅可以觀測(cè)到 M87* 周圍的亮度分布，也就是強(qiáng)度圖像，還可以觀測(cè)到 M87* 周圍的偏振分布，也就是偏振圖像。偏振是一種描述電磁波振動(dòng)方向的物理量，它可以反映出電磁波的來(lái)源和傳播過程中的信息。對(duì)于 M87* 周圍的物質(zhì)，它們主要是通過同步輻射發(fā)出電磁波，這種輻射是由高速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中發(fā)出的，它的偏振方向和磁場(chǎng)的方向有關(guān)。因此，通過觀測(cè) M87* 周圍的偏振圖像，我們可以間接地探測(cè)到 M87* 周圍的磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，從而判斷是否存在電磁能量抽取的現(xiàn)象。

結(jié)果

在一篇論文中，作者提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的偏振觀測(cè)量，它可以直接反映出黑洞周圍的電磁能量流的方向，從而判斷是否存在電磁能量抽取的現(xiàn)象。這個(gè)偏振觀測(cè)量是偏振圖像的第二個(gè)方位傅里葉模的相位，也就是 ∠β_2。作者證明了，對(duì)于軸對(duì)稱的電磁場(chǎng)，這個(gè)相位取決于磁場(chǎng)的徑向分量和方位向分量的比值，而這個(gè)比值又和 Poynting 流的符號(hào)成正比，也就是 P_φ。因此，通過測(cè)量 ∠β_2 的符號(hào)，我們就可以知道 P_φ 的符號(hào)，從而判斷電磁能量是向外流出還是向內(nèi)流入。如果是向外流出，就說明存在電磁能量抽取的現(xiàn)象，如果是向內(nèi)流入，就說明不存在電磁能量抽取的現(xiàn)象。

作者利用了一些數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)，來(lái)驗(yàn)證他們的理論。他們發(fā)現(xiàn)，在不同的模型參數(shù)下， ∠β_2 的符號(hào)都和 P_φ 的符號(hào)一致，而且 ∠β_2 的值隨著靠近黑洞的距離的減小而增大，這說明 ∠β_2 是一個(gè)敏感的偏振觀測(cè)量，可以反映出黑洞附近的電磁能量流的方向。

作者還利用了 EHT 在 2017 年對(duì) M87* 的觀測(cè)數(shù)據(jù)，來(lái)應(yīng)用他們的方法。他們發(fā)現(xiàn)，在 EHT 的波段，M87* 周圍的偏振圖像受到了法拉第旋轉(zhuǎn)的影響，這是一種由于物質(zhì)的磁化而導(dǎo)致的偏振方向的旋轉(zhuǎn)。為了消除這種影響，作者使用了一種方法，叫做法拉第旋轉(zhuǎn)測(cè)量，來(lái)恢復(fù)原始的偏振圖像。

他們發(fā)現(xiàn)，在 M87* 的事件視界附近， ∠β_2 的值約為 -0.5 ，這意味著 P_φ 的符號(hào)為負(fù)，也就是說，電磁能量是向內(nèi)流入的，而不是向外流出的。這個(gè)結(jié)果與 Blandford-Znajek 機(jī)制的預(yù)期相反，也就是說，M87* 的噴流可能不是由黑洞的旋轉(zhuǎn)能量驅(qū)動(dòng)的，而是由其他的機(jī)制，比如吸積盤的旋轉(zhuǎn)能量或者磁場(chǎng)的再連接來(lái)驅(qū)動(dòng)的。