【{$randkws}】人类首张黑洞照片再升级！解读M87星系黑洞偏振光影像与后续 - {$web_name} 图中的条纹是光的偏振方向

2021 年 3 月事情视界望远镜公开了 M87 星系中心黑洞的偏振光影像，图中的条纹是光的偏振方向。资料来源│EHT Collaboration

光是一种电磁波，假如光有特定的振荡方向，就称为「偏振光」。移动电话发出的光线普通为偏振光，假如透过偏光太阳眼镜观看，只能在某个特定角度才能让光经由，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，也就形成黑洞图像上相似丹麦甜甜圈的特别纹路。资料来源│EHT Collaboration and Crazybridge Studios

图片为 M87 黑洞的多波段影像。 EHT 拍到黑洞事情视界附近的「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，事情视界望远镜的天线成员数量陆续增多，台湾当下总共贡献了 4 座望远镜的营运与仪器技术。资料来源│中研院天文所 

松下聪树在访谈中谈及，前方在格陵兰望远镜和高频观测的技术支援下，黑洞图像确认度可望提升到 15×15 分辨率。资料来源│松下聪树

M87 黑洞观测影像与理论模型较为，可预期前方观测确认度提升之后，有机遇目睹更多细致的结构。资料来源│S. Issaoun, M. Mościbrodzka with Polarimetry WG and OWG
（神秘的地球uux.cn报导）据《研之有物》（访谈撰文：欧柏升、简克志 美术设计：林洵安）：确认黑洞偏振光影像
继 2019 年 4 月人类首度拍到 M87 星系中心的盘点无线耳机榜单黑洞图像之后，本年 3 月事情视界望远镜（Event Horizon Telescope，简称 EHT）顺利从繁琐资料中获得新的影像，也就是 M87 黑洞的「偏振光」影像。这张图像和两年前有什么各异？台湾探究团队做出了哪些贡献？科学家追求高确认度的黑洞影像，又对黑洞探究有什么重大价值呢？ 「研之有物」专访台湾“中央探究院”天文及天文物理所松下聪树探究员，和大家说明这张新的黑洞偏振光影像，以及前方黑洞观测持续奋斗的方向。
黑洞图像不只是一张「甜甜圈」
还记得 2019 年 4 月人类首度拍到第一张黑洞图像的感动吗？那张有关 M87 星系中心的黑洞影像，有点含混，又有点有趣，当时很多人开玩笑地称为「甜甜圈」或「猫眼」，有关的网路迷因创作层出不穷。到了 2021 年 3 月，事情视界望远镜发表了新近成果：M87 星系中心黑洞的「偏振光」影像，图像看起来似乎又更清楚了。假如要确认这张新的「丹麦甜甜圈」，就必须先知晓「偏振光」。
黑洞偏振光影像为何长这样？
先是，什么是偏振光呢？松下聪树在访谈中做了简易演示：拿出一副太阳眼镜，放在移动电话萤幕和观测者（你）中间「过滤」光线。当镜片在某个特定角度时，我们可以顺利目睹移动电话画面；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。刚刚热搜话题排行
这个演示评测的背后原理，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」。移动电话发出的光线通常是偏振光（由于萤幕出厂都会贴上偏光片），假如我们放上同样具有偏振片特性的太阳眼镜，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，可以合作科学家知晓黑洞周围磁场。由于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。从观测结局获得偏振光资料，科学家就可确认黑洞磁场。那么，要如何确认这张「丹麦甜甜圈」图像的「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尤其？依据新近探究强调，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（由于必须与周围磁场方向垂直），也就是图像上相似丹麦甜甜圈的「纹路」啰。请见下图。
从偏振光知晓周围磁场之后，科学家就可以进一步确认黑洞。当下科学家已知 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，又能够维持笔直，需要相当庞大的能量才能办到。天文学家推测，这或许要归功于黑洞周围的磁场。
M87 黑洞偏振光影像，或许看起来只是一张较为清楚的「甜甜圈」，但是实际上要得到黑洞偏振光影像相当艰难。这次的偏振光影像和 2019 年公开的首张黑洞图像皆来自同一次观测，但要耗费更多时间处理资料。所以，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 年才公开。
松下聪树说明，由于黑洞附近光的偏振比例通常不到 10%，所以偏振讯号大约只有光强度的1%，相当微弱。并且，所有资料必须认真校正，去除仪器所形成的偏振，确保讯号来自天体。观测所用到的每个望远镜各有各异特征，天文学家需确保整体资料达成校正，是相当艰难的任务。
台湾团队在黑洞观测的贡献
松下聪树强调，台湾对黑洞观测有重大贡献。当下公开的黑洞影像是来自 2017 年的观测结局，由七座望远镜共同达成，而台湾参与了其中三座望远镜的管理，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 年顺利启动的格陵兰望远镜（GLT），台湾总共贡献了四座望远镜的营运与仪器技术。
资料确认方面，台湾的探究团队也举足轻重。松下聪树尤其谈及中研院天文所博士后探究朴钟浩的贡献──他负责撰写资料处理程式，达成相当艰难的校正岗位，于是能形成这幅偏振光影像。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探究。中研院参与 EHT 的人员，还含有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岗位团队。
松下聪树说，台湾能够参与 EHT 的核心，在于「我们在台湾有全球尖端的技术」，所以针对国外探究单位来说有相对大的作用力。
拍到黑洞影像之后呢？
事情视界望远镜（EHT）的任务并不是拍到黑洞就收工，随着更多仪器启动，前方有望揭开更多黑洞的奥秘。
最初 2017 年的观测，也就是当下所公开的黑洞影像，总共使用七座天线。到了 2018 年格陵兰望远镜着手加入，由于格陵兰和其他天线距离遥远，把观测的基线拉长，所以可以增多约 50% 的确认度。
2021 年 4 月，事情视界望远镜又达成一次新的观测。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，观测的确认度和灵敏度都提升了。
松下聪树说明，当下公开的黑洞影像，只目睹黑洞旁边的磁场。新的观测则有望侦测到外围弥漫的气体所带有的磁场，合作我们知晓黑洞、磁场与喷流的关系。科学家正紧锣密鼓确认这批资料，盼望会有好的结局。
另外，当下EHT正评测更高频率的观测。原先观测 220 GHz 的电波（波长 1.3 毫米），过几年后则有机遇让所有天线做 345 GHz 的观测（波长 0.87 毫米），波长比之前短了将近一半，空间确认度也会显著提升。
我们当下目睹的「甜甜圈」，确认度只有 3×3 分辨率。 2018 年加上格陵兰望远镜，确认度可到 5×5 分辨率。前方频率提升到 345 GHz 之后，可再提升到 7×7 或 8×8 分辨率。
还有另一个期盼，就是将格陵兰望远镜搬到山上，天气条件更好，有机遇开展更高频率（660 GHz）的观测，确认度可再上升至 15×15 分辨率。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，乃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，还没人有把握能够顺利，可是松下聪树正面看待。他说，刚着手组织 EHT 的时候，「大家都说取景黑洞影像是不或许的，但是我们让它变成或许了。」
为何追求高确认度影像？
松下聪树说明，依据理论模型，黑洞应该有许多更细致的结构，但是在当下公开的影像中依然糊成一团。一旦有了更高确认度的影像，就有机遇确认出事情视界的精确位置，以及分辨研究和流入的气体。黑洞能量的来源是流入的气体，高确认度观测可告诉我们，黑洞怎么吃进气体，以及磁场在其中的人物。
不只如此，黑洞的半径和品质呈简易的线性关系，若能精确测得黑洞的半径，则可以知晓黑洞如何成熟，乃至推测早期宇宙的黑洞如何诞生。另外，黑洞的旋转会拖曳时空，导致影像的些微转变，高确认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。这不是落幕，只是着手。」当下我们目睹的「甜甜圈」影像只是个着手，前方还精彩可期。