黑洞的新面孔：從“光環”到“偏振指紋”

|作者：侯業輝1 郭敏勇2 陳斌3,?

(1 上海交通大學李政道研究所）

(2 北京師范大學物理與天文學院）

(3 寧波大學 基礎物理與量子科技研究院）

本文選自《物理》2025年第10期

1引 言

2019年4月10日，一張模糊的橙色光環照片震撼了全世界。這是人類歷史上第一張黑洞照片，由“事件視界望遠鏡”(EHT)合作組拍攝，展現了位于M87星系中心的超大質量黑洞的“陰影”[1]，如圖1所示。2022年，EHT又公布了銀河系中心黑洞SgrA*的圖像[2]，再次讓人類“看見”了宇宙中最神秘的天體之一。

圖1 (a，b)EHT公布的M87*和SgrA*的黑洞成像照片，其中亮度反映輻射的亮溫分布；(c，d)EHT公布的M87*和SgrA*的偏振結構圖像

但這僅僅是開始。就像醫生通過X光片不僅要“看到”骨頭，還要“讀懂”病情一樣，天體物理學家也在努力解讀這些黑洞圖像背后的物理信息：這個黑洞有多重？它在自轉嗎？它轉得有多快？這些問題的答案，藏在圖像中微妙的細節里。

最近，科學家們發現了一種全新的“解碼”方式：通過分析圖像中非常靠近黑洞事件視界那部分的“偏振”信息，我們或許能讀出黑洞獨一無二的“指紋”，甚至測出它的自轉速度[3]。這項突破性的理論研究為我們認識黑洞、檢驗愛因斯坦的廣義相對論，打開了一扇新的窗口。

2光的偏振

我們每天都在接觸光，但光不僅有顏色、亮度等屬性，它還有一個不太容易察覺但非常重要的特性：偏振。簡單來說，偏振描述的是光波振動的方向。

其實，我們生活中經常遇到偏振現象。比如偏光太陽鏡，它利用光的偏振特性來減少反射眩光。偏振鏡片僅允許振動方向與偏振軸平行的光線通過，從而將雜散光轉換為平行光，消除不規則反射產生的眩光，讓視野更清晰。再比如，很多液晶屏幕(如手機或筆記本)也會利用偏振原理成像，這就是為什么當從某個角度看屏幕時會變黑或變色的原因。

在宇宙中，光的偏振常常受到磁場的影響。例如，當帶電粒子在強磁場中高速運動時，會發出一種叫“同步輻射”的光，這種光往往是高度線偏振的[4]。也就是說，它的振動方向并不是雜亂無章的，而是有規律的。這種規律性，正是科學家解碼黑洞圖像的關鍵。

3旋轉的黑洞會“攪動”時空

愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，黑洞不僅能扭曲空間和時間，還能“拖動”它們。想象一下，一個巨大的陀螺在水中旋轉，會帶動周圍的水流跟著打轉。類似地，一個旋轉的黑洞也會讓周圍的時空“旋轉”——這就是所謂的“參考系拖曳效應”[5]。圖2給出了旋轉黑洞所導致的時空拖曳效應的藝術化呈現。

圖2　旋轉黑洞所引起的時空拖曳效應的藝術化示意圖

這個概念聽起來有些抽象，但它其實有現實中的實例。比如，地球本身也是一個旋轉的天體，它的自轉會對周圍的時空造成微弱的拖曳效應。科學家通過精密實驗，比如利用激光陀螺儀或測量人造衛星軌道的微小偏移，已經在地球附近驗證了這一效應[6，7]。甚至我們日常使用的GPS系統，除了高速運動導致的狹義相對論效應之外，也必須考慮時空彎曲帶來的廣義相對論，才能保證定位的準確性。

而在黑洞附近，這種拖曳效應會變得極其強烈。它扭曲黑洞周圍磁場的形狀，改變光的傳播路徑[8]。

4黑洞的“指紋”能告訴我們什么？

人們常常把黑洞想象成一個“吞噬一切”的黑暗巨獸，但實際上，我們看到的黑洞圖像更多是它周圍的吸積物質，也就是被黑洞引力吸引、圍繞它高速旋轉的氣體和塵埃[9]。

黑洞的自旋，是描述其旋轉狀態的一個基本物理量。它不僅決定了黑洞吞噬周圍物質的方式，還影響其釋放能量的效率，甚至可能對整個星系的結構與演化產生深遠影響。比如，一些高速旋轉的黑洞會從兩極噴射出強大的等離子體噴流[10]，綿延數十萬光年，對星系中的氣體分布和恒星形成起到“調控”作用。

作為黑洞的關鍵參數，自旋的測量在天體物理學中占據重要地位。然而，迄今為止，如何實現對黑洞自旋的精準測定，仍然是一大挑戰。傳統方法通常依賴于分析X射線的發射譜，或追蹤吸積盤中物質的運動軌跡[11，12]。這些方法往往需要建立復雜的理論模型，對吸積盤的溫度、密度、視角等參數做出假設，因此結果容易受到模型不確定性和吸積狀態變化的干擾，精度有限。

為突破這一瓶頸，我們研究團隊聚焦于旋轉黑洞附近的極端物理環境。研究發現，在黑洞自旋引發的“參考系拖曳效應”作用下，事件視界附近的磁場線會被扭曲成高度螺旋狀的結構，進而引導等離子體沿特定方向運動。這種有序的磁場與等離子體分布，會在偏振圖像中留下清晰而 穩定的“指紋”特征[3]。

更為重要的是，這種“近視界偏振”模式具有高度的普適性：在理想條件下，其形態主要由黑洞自身的時空幾何決定，而對吸積物質的具體細節(如速度、密度、溫度等)依賴甚微。換句話說，無論黑洞周圍的氣體如何流動、磁場如何改變，這些偏振特征依然穩定存在，成為直接反映黑洞“個性”的物理標記。圖3給出了旋轉黑洞事件視界附近所呈現的典型偏振圖案。

圖3　觀者的像平面上事件視界邊緣的偏振分布，其中雙向箭頭表示了線偏振的方向。圖中

a

通俗地說，這種偏振圖像就像黑洞留下的“簽名”，每一個黑洞都有一套獨特的偏振結構，記錄著它的旋轉狀態。就像我們通過指紋識別身份，科學家也可以通過這些“偏振指紋”識別黑洞的自旋方向和快慢。具體而言，黑洞自旋直接決定了事件視界附近電矢量偏振角的取向：當自旋接近零時，偏振呈徑向分布，電矢量偏振角為0°；隨著自旋增加，偏振逐漸展現出螺旋結構；在極高自旋極限下，電矢量偏振角約為-26.8°。這種方法不僅更直接、更穩定，還為未來黑洞參數的測量提供了一種全新的觀測途徑。

相關研究成果已發表于

The Astrophysical Journal Letters

5未來的黑洞觀測新視角

目前，EHT已經能夠測量黑洞圖像中的偏振信息，并在2021年和2024年先后公布了M87*和SgrA*的偏振圖像[13，14]，如圖1(c)，(d)所示。這些圖像顯示，黑洞周圍的磁場呈現出高度有序的結構，支持了同步輻射和偏振的理論預期。

隨著望遠鏡陣列的擴展和觀測技術的進步，未來的黑洞圖像將更加清晰，偏振測量也將更精確[15]。這將使科學家們能夠真正應用近視界“偏振指紋”技術，大規模測量黑洞的自旋，為我們繪制一幅宇宙黑洞的“性格地圖”。

不僅如此，如果某一天科學家發現某個黑洞的近視界偏振圖像與愛因斯坦的預測不符，那可能意味著我們對引力的理解還不完整，甚至可能發現新的物理規律。這正是科學最令人激動的地方：每一次觀測，都是一次對宇宙基本法則的挑戰。

6從看見到理解，黑洞不再神秘

從最初的“黑洞剪影”，到如今的“黑洞指紋”，人類對宇宙最神秘天體的認識正一步步深入。偏振圖像不僅是技術上的突破，更是觀念上的飛躍——它讓我們意識到，黑洞并不是一個簡單的“黑點”，而是一個有結構、有性格，甚至有“表情”的宇宙角色。

未來，隨著觀測技術的不斷提升和理論模型的不斷完善，我們或許能真正“看見”黑洞的內部，甚至揭開宇宙最深處的秘密。而這一切，正是從那一束有方向的光開始的。

參考文獻

[1] Event Horizon Telescope Collaboration，Astrophys. J. Lett.，2019，875(1)：L1

[2] Event Horizon Telescope Collaboration，Astrophys. J. Lett.，2022，930(2)：L12

[3] Hou Y H et al. Astrophys. J. Lett.，2025，988(2)：L51

[4] Rybicki G B，Lightman A P. Radiative Processes in Astrophysics. John Wiley & Sons，2024

[5] Lense J，Thirring H. Physikalische Zeitschrift，1918，19：156

[6] Ciufolini I，Pavlis E C. Nature，2004，431(7011)：958

[7] Everitt C W F et al. Phys. Rev. Lett.，2011，106(22)：221101

[8] Bardeen J M，Press W H，Teukolsky S A. Astrophys. J.，1972，178：347

[9] Frank J，King A R，Raine D. Accretion Power in Astrophysics. Cambridge University Press，2002

[10] Blandford R et al. Ann. Rev. Astron. Astrophys，2019，57：467

[11] Fabian A C et al. MNRAS，1989，238(3)：729

[12] Stella L，Vietri M. Astrophys. J.，1997，492(1)：L59

[13] Event Horizon Telescope Collaboration，Astrophys. J. Lett.，2021，910(1)：L12

[14] Event Horizon Telescope Collaboration，Astrophys. J. Lett.，2024，964(2)：L25

[15] Johnson M D et al. Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng.，2024，13092：130922D

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