银河系 Sgr A* 中心的超大质量黑洞首次在偏振光下出现。（图片来源：EHT Collaboration）

天文学家首次捕捉到了偏振光和人马座 A* （Sgr A*） 周围的磁场，人马座 A* （Sgr A*） 是位于米利路中心的超大质量黑洞。

使用事件视界望远镜 （EHT） 进行的历史性观测表明，整齐有序的磁场与星系 M87 中心的超大质量黑洞周围的磁场有相似之处。这令人惊讶，因为 Sgr A* 的质量约为太阳的 430 万倍，但 M87* 要怪异得多，其质量相当于大约 65 亿个太阳。

因此，对 Sgr A* 的新 EHT 观测表明，所有黑洞都可能具有强大且组织良好的磁场。此外，由于 M87* 的磁场驱动强大的流出或“射流”，结果暗示 Sgr A* 可能有一个隐藏而微弱的喷流。

“这个位于我们银河系中心的黑洞Sgr A*的新图像告诉我们，黑洞附近有强大、扭曲且有序的磁场，”哈佛和史密森尼天体物理中心（CfA）的研究联合负责人兼NASA哈勃奖学金项目爱因斯坦研究员萨拉·伊萨翁告诉 Space.com“有一段时间， 我们相信，磁场在黑洞如何在强大的喷流中馈送和喷射物质方面起着关键作用。

“这张新图像，以及在更大、更强大的 M87* 黑洞中看到的惊人相似的极化结构，表明强大而有序的磁场对于黑洞如何与周围的气体和物质相互作用至关重要。”

EHT 由全球许多望远镜组成，包括阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列 （ALMA），它们共同构成了一个地球大小的望远镜，对创造科学历史并不陌生。

2017 年，EHT 捕获了第一张黑洞及其环境的图像，对距离地球约 5350 万光年的 M87* 进行了成像。在 2019 年这张图像向公众展示两年后，EHT 合作再次揭示了黑洞 M87* 周围的偏振光。

当光的取向波指向特定角度时，就会发生偏振。等离子体围绕黑洞旋转产生的磁场使光与自身成 90 度角偏振。这意味着观测 M87* 周围的极化使科学家们首次“看到”黑洞周围的磁场。

人马座 A* 的图像，这是使用事件视界望远镜拍摄的银河系中心的超大质量黑洞。（图片来源：EHT Collaboration）

在，EHT 终于为科学家提供了偏振光的图像，从而提供了这个超大质量黑洞周围的磁场。

“偏振光教会了我们关于磁场、气体特性以及黑洞进食时发生的机制，”Issaoun 说。“考虑到对 Sgr A* 进行成像的额外挑战，老实说，我们能够首先获得偏振图像已经足够令人惊讶了！”

尽管 Sgr A* 更接近地球，但这些挑战还是出现了，因为银河系超大质量黑洞的尺寸较小，这意味着以接近光速在其周围鞭打的物质很难成像。M87* 要大得多，这意味着该材料在以相同速度行进时或多或少需要更长的时间才能完成一个电路，这使得 EHT 更容易捕获。

克服这些困难意味着现在可以在超大质量黑洞光谱两端的两个黑洞之间进行比较，一个黑洞的质量是太阳的数十亿倍，另一个质量是恒星质量的数百万倍。最初的结论是这些磁场彼此非常相似。

“这种相似性尤其令人惊讶，因为 M87* 和 Sgr A* 是截然不同的黑洞，”Issaoun 说。“M87* 是一个非常特殊的黑洞：它有 60 亿个太阳质量，生活在一个巨大的椭圆星系中，它喷射出在所有波长下都可见的强大等离子体射流。

“另一方面，Sgr A* 非常常见：它有 400 万个太阳质量，生活在我们普通的螺旋银河系中，它似乎根本没有喷流。”

Issaoun 解释说，仅通过观察光中偏振的部分，该团队本来希望了解 M87* 和 Sgr A* 磁场的不同特性。“也许一个会更有序、更强壮，而另一个会更无序、更虚弱，”伊萨翁补充道。“然而，因为它们看起来又很相似，所以现在很明显，这两个不同类别的黑洞具有非常相似的磁场几何形状！”

结果表明，对 Sgr A* 的更深入研究可能会发现迄今为止未被发现的特征。

Sgr A* 的光的极化和整齐而强的磁场，以及它们与 M87* 非常相似的事实，可能表明我们的中心黑洞直到现在一直向我们隐藏着一个秘密。

“我们预计强大而有序的磁场将与喷流的发射直接相关，正如我们在 M87* 中观察到的那样，”Issaoun 解释说。“由于 Sgr A* 没有观察到喷流，似乎具有非常相似的几何形状，也许 Sgr A* 中还潜伏着一个喷流等待被观测，这将是超级令人兴奋的！”

天文学家没有看到来自 Sgr A* 的喷流并不感到非常惊讶。这是因为M87*被如此多的气体和尘埃所包围，每年消耗相当于两到三个太阳。这意味着它的磁场需要大量的物质才能传导到它的两极，并以喷流的形式爆发出来。

另一方面，Sgr A* 消耗的物质非常少，相当于一个人每百万年吃一粒米。这些观察结果表明，我们的节食超大质量黑洞可能仍然有喷流;只是很难看到。

“有很多证据表明，过去可能有喷流，甚至是由黑洞提供动力的喷流，但由于银河系中心的恶劣环境，Sgr A* 中的喷流从未被成像过，”Issaoun 说。找到喷流将是关于我们黑洞的重大启示，并与它在银河系中的历史有关。

她补充说，发射这些喷流的过程是整个宇宙中能量最强的机制，它极大地影响了星系的中心，例如，清除了恒星诞生所需的气体和尘埃，并影响了星系的生长和演化。这意味着发现从 Sgr A* 喷流出来将影响我们对银河系如何演化成天文学家今天观察到的形状的理解。

“如此惊人的是，星系中如此小的核心可以造成如此大规模的破坏，而这一切都始于这些磁场统治的中心黑洞的边缘，”伊萨翁继续说道。

伊萨翁说，有了这两个截然不同的黑洞的极化图像，科学家们现在有了非常令人信服的证据，证明强磁场在这些宇宙巨星中无处不在。

“下一步，”她说，“涉及弄清楚这种几何形状如何与这些系统的移动、进化和耀斑联系起来。

EHT 将于 4 月初启动 2024 年观测活动，合作希望通过在不同频率的光下观察 M87* 和 Sgr A* 等熟悉的黑洞获得多色视图。

“在未来十年，下一代 EHT 工作旨在增加更多望远镜来填充我们地球大小的虚拟镜子并更频繁地进行观测，”Issaoun 补充道。“随着 EHT 的这些扩展，我们将能够制作黑洞的极化电影，并将直接观察 M87* 黑洞与其喷流之间的动力学。”

此外，CfA 研究人员表示，EHT 最终可能会获得一些太空帮助来观察黑洞及其动力学。一个可以提供帮助的拟议任务是黑洞探测器 （BHEX） 任务概念，它在地球 EHT 阵列中增加了一个太空望远镜。

“黑洞旋转了多少，它们的自旋被认为与黑洞附近的磁场为什么看起来是这样的以及它们如何发射喷流直接相关，”伊萨翁总结道。“使用 BHEX，我们可以对黑洞的清晰光子环特征进行成像。这个光子环编码了黑洞周围时空的特性，包括黑洞的自旋！

EHT 团队的研究于周三（3 月 27 日）发表在《天体物理学期刊快报》上。