使用偏振射电眼镜揭示黑洞旋转

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广泛存在于整个宇宙中。黑洞的关键特征包括它们的质量和它们的“自旋”——尽管它们没有实际的表面，但它们仍然旋转，事件视界定义了光无法逃逸的地方。

观察者发现了质量范围广泛的黑洞，从与恒星质量相当的黑洞到质量为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拥有这种超大质量黑洞，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事件视界，但我们知道光确实从事件视界之外的区域发出。围绕超大质量黑洞运行的物质确实会发出光，从无线电到伽马射线。

事件视界望远镜合作组织(EHTC)最近利用地球上的一系列望远镜，通过捕获黑洞周围最内层附近的电子发射的发射光，获得了毫米和亚毫米波长的两个超大质量黑洞的图像。EHTC 的主要目标是位于椭圆星系 Messier 87 核心的超大质量黑洞，以及位于银河系核心的 SgrA*。

两个源的 EHT 图像都显示了当靠近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的发射环——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”，其方向取决于其来源。在地球上，我们使用偏光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线发生偏振。

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

我们证明了黑洞的自旋应该可以检测到地改变发射无线电波的偏振。我们还发现，绕超大质量黑洞运行的等离子体(非常热的气体，所有原子的电子都被剥夺了)内旋转电子的温度以及该区域的磁场强度都会影响结果，形成了一幅复杂的图片，但具有揭示否则无法检测到的黑洞特征的新能力。

兰德尔·史密斯 (Randall Smith) 博士，史密森天体物理天文台 (SAO) 天体物理中心天体物理学家 | 哈佛与史密森学会 (CfA) 以及我的顾问和团队成员指出，“超大质量黑洞的自旋编码了它的历史，暗示了它在宇宙年龄中是如何演化的。然而，测量事实证明，自旋是极其困难的;使用射电偏振的新方法非常令人兴奋，因为M87 和银河系中黑洞的自旋我们知之甚少。”

与 2017 年获得的 EHT 观测结果的比较表明，人们更喜欢具有强磁场、中等电子温度和缓慢旋转的黑洞的等离子体，或者在快速旋转的黑洞旁边存在冷电子。文章图片展示了一个缓慢旋转的黑洞，其自旋参数 a = 0.3(其中 a = 0 对应于零自旋，a = 1 对应于最快的自旋)和热电子(左侧)，与快速旋转的黑洞，a = 0.9 和冷电子(右侧)。

一项持续的努力涉及与 EHT 观测结果进行更定量的比较。我们在不久的将来的目标是通过在我们的模拟中采用更先进的微观物理学来辨别黑洞的旋转，其中已经包括广义相对论和强磁场的影响。

CfA 的 SAO 天体物理学家、哈佛大学高级研究员兼团队成员 Shep Doeleman 指出：“下一代事件视界望远镜 (ngEHT) 是一个新项目，旨在通过在阵列中添加新的天线并观测来增强 EHT在多个频率上。”

这种战略扩展或许能够检测到新发表的效应并对黑洞自旋做出公正的估计，让我们对黑洞边界的极端环境有一个新的视角。