尽管黑洞充满了深奥的谜团，但它们是宇宙中最大的物体中最简单的：有些会旋转。有些带有电荷。所有这些都将它们的质量极其密集地压缩，以至于完全黑暗，并产生连光都无法逃脱的引力。它们提供的东西很少可以测量，而可以看的东西则更少。
但真实的黑洞，尤其是潜伏在大多数星系中心的超大质量巨兽，却远非黑暗和直接。第一张黑洞的照片直到 2019 年才建成，天文学家不得不动用遍布我们整个星球的望远镜网络才得以拍摄。那个特定的黑洞位于 M87 星系中心，身处距离地球 5500 万光年的炙热气体翻腾的漩涡之中。拍摄它真的是一项壮举，因为它在天空中只是一个明亮但微小的光点。
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尽管 M87 黑洞占据的区域与我们的太阳系相当——大约 0.02 光年宽——但它却喷射出强大的粒子流，向上和向下延伸 10,000 光年。这些喷流燃烧的能量几乎与我们星系所有恒星的总和一样快。
“这是整个宇宙中最强大的过程，”荷兰拉德堡大学的天体物理学家、拍摄 M87 黑洞的合作组织成员 Sara Issaoun 说。“而我们仍然不知道这到底是怎么发生的。”
“美丽”的黑洞数据
现在，我们知道得更多了。Issaoun 和另外大约三百名研究人员组成的事件视界望远镜（EHT）合作组织，在国际首次亮相两年并经历了一场疫情后，带着一张更新的图像回来了。这张新照片捕捉到了黑洞一个以前看不见的侧面，这是一个被认为是负责发射宇宙最强大喷流的力场。
“这是美丽的数据，”斯坦福大学研究超大质量黑洞的天文学家 Enrique Lopez Rodriquez 说，他没有参与这项研究。“他们首次测量了黑洞事件视界附近的磁场。”
如果只有引力一种力，黑洞会更加黑暗。但它们以接近光速的速度将粒子喷射到整个星系，这强烈表明还有其他东西在起作用。“仅靠引力无法解释，”Lopez Rodriquez 说。“你需要另一种力量。”
看不见的磁场
几十年来，研究人员一直认为磁性——唯一能够对如此大的尺度产生如此大影响的另一种力——一定是罪魁祸首。但与引力不同，引力（天文学家可以观察到它推动恒星和星系）相比，磁性基本上是看不见的。除非发射一堆冰箱贴磁铁并观察它们的漂移，否则研究人员只能通过带电粒子（如电子和质子）的运动来分辨遥远的磁性。
M87 超大质量黑洞周围轮胎状的云主要是等离子体组成的，其原子已经分解成一大堆带电粒子。当黑洞的磁场使它们螺旋旋转时，它们会以特定的方向或“偏振”发出光。当这些偏振光数百万年后到达地球的 EHT 设施时，合作组织成员就可以重建粒子经过的磁场的粗略图。
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这种效果很微妙。这张新图像基于与 2019 年著名的黑洞图像相同的数据，但应用了一个过滤器来仅选择偏振光。这有点像戴着偏振太阳镜看东西。
在原始图像公开发布三个月后，合作组织成员实际上第一次看到了偏振图像。但 EHT 的仪器也会接收到附近区域的偏振光，并且需要时间来检查研究人员是否已正确地区分了来自地球的光子和来自黑洞的光子。
“这两年的整个过程实际上都是在努力确保我们看到的是真实的东西，”Issaoun 说。
在开发了五种方法来五重检查他们的过滤后，合作组织相信这种偏振是真实的。他们周三在《天体物理学杂志通讯》上发表了两篇报告。
推翻黑洞理论
偏振图像的揭示效果出乎意料。合作组织理论家在超级计算机上运行了 40 次模拟（每次大约需要一周时间），以生成黑洞行为的 3D 视频。然后，他们考虑了其他变化——例如不同的电子速度和各种观测角度——以生成 70,000 种可能的黑洞磁场映射。最后，当他们将这些理论图像与实际图像进行比较时，只有 72 匹配。
“能够如此显著地缩小 [可能的行为] 范围，这非常令人惊讶，”普林斯顿大学天体物理学家、EHT 成员 Andrew Chael 说。
幸存的模拟突出了黑洞磁场的广泛特征，并解决了关于喷流起源的一个长期争论。
磁场和黑洞喷流的诞生
一个非常强的磁场会像插在甜甜圈里的椒盐脆饼一样，笔直地指向等离子盘外。然而，一个弱磁场会与等离子体混合，形成一个弯曲的圆形图案。EHT 合作组织看到了介于两者之间的东西：一个具有可观强度的螺旋状磁场，他们估计在 1 到 30 高斯之间，高斯是磁通量密度的测量单位。这意味着 M87 黑洞的磁场强度是地球的几十倍。
M87 超大质量黑洞周围磁场的强度表明，它的磁场以一种称为磁约束的方式喷射出喷流。
磁场源于带电粒子的运动——冰箱贴磁铁之所以能吸附是因为它们的电子一起旋转。因此，随着等离子体螺旋地流向黑洞的赤道，赤道周围的磁场会增强。当磁场堆积起来时，它会“约束”或阻止更多的带电粒子流入，最终变得如此强烈，以至于力场从黑洞的上方和下方溢出，喷射出喷流。新的偏振图像表明，这种剧烈的挤出正是 M87 中心正在发生的事情。
“纯粹的探测真的令人惊叹，”Lopez-Rodriquez 说。“它开始回答一个非常关键的问题：喷流是如何形成的。”
但 M87 的超大质量黑洞只是一个样本。在接下来的几年里，合作组织将寻求扩大这个数字，方法是直接拍摄银河系中心的超大质量黑洞，并将他们改进的理论与更遥远黑洞喷流的形状进行比较。
“在尝试建立这种联系的过程中，我们将学到很多经验，”Chael 说。
