地球那麼大的望遠鏡看清了黑洞的磁場

藉助事件視界望遠鏡，天文學家第一次觀測到了黑洞視界附近的磁場。圖片來源：CfA

大多數人把黑洞當成是宇宙中的巨型真空吸塵器，會把所有靠它太近的東西全都吞噬掉。然而，星系中心的超大質量黑洞更像是宇宙引擎，將落向黑洞的物質轉化為能量，以強烈輻射的形式釋放出來，亮度甚至超過周邊所有恆星放出的光芒。如果這個黑洞在自轉，它還能產生強勁的噴流，將物質向外噴射到成千上萬光年，從而塑造整個星系的面貌。科學家認為，這些黑洞引擎是由磁場驅動的。現在，有史以來第一次，天文學家在我們銀河系中心超大黑洞事件視界的外側探測到了磁場。

這項研究的主要作者、美國哈佛－史密松天體物理中心（CfA）的麥可·詹森（Michael Johnson）說，「了解這些磁場至關重要。之前還沒有人能夠在黑洞的事件視界附近分辨出磁場，直到現在。」

首席研究員、CfA及美國麻省理工學院（MIT）的謝普·多爾曼（Shep Doeleman）補充道，「人們早就預言這些磁場應該存在，但以前還從來沒人看到過它們。我們的數據給幾十年來的理論研究提供了堅實的觀測基礎。」

這一壯舉是藉助事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope，EHT）完成的。事件視界望遠鏡由世界各地的多臺射電望遠鏡聯網而構成，它的效果相當於一臺地球那麼大的巨型望遠鏡。由于越大的望遠鏡能夠提供更多的細節，事件視界望遠鏡最終將有能力分辨小到15微角秒的特徵。（1角秒相當於1度的1/3600，15微角秒就相當於在地球上看月亮表面一顆高爾夫球的大小。）

這麼高的解析度是必須的，因為黑洞是宇宙中最緻密的天體。銀河系中心的黑洞，即人馬座A*，質量相當於太陽的400萬倍，而它的事件視界直徑只有1300萬千米，比太陽系裡水星的軌道還小。而且由於這個黑洞距離地球25000光年，從地球上看去，它的視界大小就只有區區10微角秒。幸好，黑洞強大的引力會彎曲並放大事件視界，使得它看起來要大一些，可以達到大約50微角秒。這樣的大小，事件視界望遠鏡可以輕鬆分辨。

事件視界望遠鏡由世界各地的射電望遠鏡聯網而構成，最終將有能力直接拍攝銀河系中心超大黑洞的視界。圖片來源：亞歷桑那大學

事件視界望遠鏡在1.3mm波長的射電波段進行觀測。研究團隊測量了這些光的線偏振。在地球上，陽光經過反射之後會變成線偏振光，這也是偏振太陽鏡能夠遮擋陽光和減少眩光的原因所在。而在人馬座A*這個超大黑洞周圍，偏振光則是由沿著磁力線盤旋的電子發出的。因此，這些光直接揭示了磁場的結構。

人馬座A*被一個吸積盤包圍，其中都是繞著黑洞旋轉的物質。研究團隊發現，磁場在靠近黑洞的某些區域是混亂的，有著雜亂的磁圈和渦漩，就像攪在一起的義大利麵。相反，其他區域的磁場則有序得多，可能是物質噴流產生的區域。

他們還發現，黑洞周邊的磁場在短至15分鐘的時間段內都會發生明顯變化。

詹森說，「事實再次證明，銀河系中心是一個精力充沛的地方，動態超出我們之前的想像。那些磁場全都在跳動。」

這些觀測運用了位於三個不同地點的天文觀測設備：位於夏威夷莫納克亞山的亞毫米波陣和麥克斯韋望遠鏡；位於亞利桑那州格雷厄姆山的亞毫米波望遠鏡；以及位於加利福尼亞Bishop附近的毫米波天文學研究聯合陣（CARMA）。隨著世界各地更多射電天線加入事件視界望遠鏡，它將獲得越來越高的觀測解析度，最終目標則是首次直接拍攝黑洞的事件視界。

多爾曼說，「要建造一臺橫跨整個地球的望遠鏡，唯一的辦法就是把世界各地的科學家召集起來一起工作。有了這一成果，事件視界望遠鏡距離破解天文學的一個中心悖論又更近了一步，那就是——為什麼黑洞會如此明亮？」

相關論文發表在今天（12月4日）出版的《科學》雜誌上。（編輯：Steed）