用偏振无线电眼镜揭示黑洞自旋

顺其自然362

黑洞图像描绘了自旋黑洞周围的等离子体，自旋参数a = 0.3和热电子(在左边)，a = 0.9和冷电子(在右边)。信用:非洲金融共同体法郎/Razieh Emami Meibody

（）据哈佛史密森天体物理中心（Razieh Emami Meibody）：爱因斯坦广义相对论的一个基石但令人惊讶的预测是黑洞的存在，天文学家后来发现黑洞在整个宇宙中广泛存在。黑洞的关键特征包括它们的质量和它们的“自旋”——即使它们没有实际的表面，它们也会旋转，其事件视界定义了光不能逃逸的地方。

观测者已经发现了质量跨度很大的黑洞，从相当于恒星质量的黑洞到质量是我们太阳数百万或数十亿倍的超大质量黑洞。我们现在知道，大多数大型星系都有这样的超大质量黑洞，尽管关于它们如何形成和演化的主要问题仍然存在。

虽然黑洞的定义特征是它的视界，但我们知道光确实是从视界之外的区域发出的。围绕超大质量黑洞旋转的物质确实会发光，从射电到伽马射线。

利用位于地球上的一系列望远镜，事件视界望远镜合作组织(EHTC)最近通过捕捉来自黑洞最内部附近轨道运行的电子的发射光，获得了两个超大质量黑洞在毫米和亚毫米波长的图像。EHTC的主要目标是位于椭圆星系梅西耶87核心的超大质量黑洞，以及位于我们银河系中心的SgrA*。

这两个来源的EHT图像显示，当靠近事件视界发射的无线电波在靠近黑洞的弯曲时空中弯曲时，形成了发射环——黑洞的质量和自旋决定了这些环的大小和形状。

从黑洞附近发出的光是“偏振的”，根据其来源有不同的方向。在地球上，我们使用偏振太阳镜来减少反射阳光的眩光，因为水或汽车挡风玻璃的反射会导致光的偏振。

我最近领导了一个团队，提出了一种利用偏振估计黑洞属性(如自旋)的创新方法——结果刚刚发表在《天体物理学杂志》上。

我们证明了黑洞的自旋应该可以察觉地改变发出的无线电波的偏振。我们还发现，围绕超大质量黑洞轨道运行的等离子体(温度如此之高，以至于所有原子的电子都被剥离了)中旋转电子的温度，以及该区域磁场的强度，都影响了结果，形成了一个复杂的图像，但它具有揭示否则无法检测的黑洞特征的新能力。

兰德尔·史密斯博士是哈佛&史密森尼天体物理中心(CfA)史密森尼天体物理天文台(SAO)的天体物理学家，也是我的顾问和团队成员，他指出，“超大质量黑洞的自旋编码了它的历史，暗示了它在宇宙时代是如何演变的。然而，测量自旋被证明是极其困难的；一种使用无线电极化的新方法非常令人兴奋，因为M87和我们银河系中黑洞的自旋知之甚少。”

与2017年获得的EHT观测结果进行比较，表明人们更喜欢具有强磁场的等离子体，加上适中的电子温度和缓慢旋转的黑洞，或者在快速旋转的黑洞旁边存在冷电子。文章图像显示了一个缓慢自旋的黑洞，自旋参数a = 0.3(其中a = 0对应于零自旋，a = 1对应于最快的可能自旋)和热电子(在左侧)，与快速自旋的黑洞形成对比，a = 0.9和冷电子(在右侧)。

一项正在进行的努力包括与EHT观测进行更定量的比较。我们在不久的将来的目标是通过在我们的模拟中使用更先进的微观物理学来辨别黑洞的旋转，这些模拟已经包括了广义相对论和强磁场的影响。

哈佛大学高级研究员和团队成员，CfA的SAO天体物理学家Shep Doeleman指出:“下一代事件视界望远镜(ngEHT)是一个新项目，通过向阵列添加新的碟形天线和以多个频率进行观测来增强EHT。”

这种战略扩张可能能够检测到新发表的效应，并对黑洞自旋进行无偏估计，让我们对黑洞边界的极端环境有一个全新的视角。