用偏振無線電眼鏡揭示黑洞自旋 _黑洞

黑洞圖像描繪了自旋黑洞周圍的等離子體，自旋參數a = 0.3和熱電子(在左邊) ， a = 0.9和冷電子(在右邊) 。信用:非洲金融共同體法郎/Razieh Emami Meibody
據哈佛史密森天體物理中心（Razieh Emami Meibody）：愛因斯坦廣義相對論的一個基石但令人驚訝的預測是黑洞的存在，天文學家后來發現黑洞在整個宇宙中廣泛存在。黑洞的關鍵特征包括它們的質量和它們的“自旋”——即使它們沒有實際的表面，它們也會旋轉，其事件視界定義了光不能逃逸的地方。
觀測者已經發現了質量跨度很大的黑洞，從相當于恒星質量的黑洞到質量是我們太陽數百萬或數十億倍的超大質量黑洞。我們現在知道，大多數大型星系都有這樣的超大質量黑洞，盡管關于它們如何形成和演化的主要問題仍然存在。
雖然黑洞的定義特征是它的視界，但我們知道光確實是從視界之外的區域發出的。圍繞超大質量黑洞旋轉的物質確實會發光，從射電到伽馬射線。
利用位于地球上的一系列望遠鏡，事件視界望遠鏡合作組織(EHTC)最近通過捕捉來自黑洞最內部附近軌道運行的電子的發射光，獲得了兩個超大質量黑洞在毫米和亞毫米波長的圖像。EHTC的主要目標是位于橢圓星系梅西耶87核心的超大質量黑洞，以及位于我們銀河系中心的SgrA* 。
這兩個來源的EHT圖像顯示，當靠近事件視界發射的無線電波在靠近黑洞的彎曲時空中彎曲時，形成了發射環——黑洞的質量和自旋決定了這些環的大小和形狀。
從黑洞附近發出的光是“偏振的”，根據其來源有不同的方向。在地球上，我們使用偏振太陽鏡來減少反射陽光的眩光，因為水或汽車擋風玻璃的反射會導致光的偏振。
我最近領導了一個團隊，提出了一種利用偏振估計黑洞屬性(如自旋)的創新方法——結果剛剛發表在《天體物理學雜志》上。
我們證明了黑洞的自旋應該可以察覺地改變發出的無線電波的偏振。我們還發現，圍繞超大質量黑洞軌道運行的等離子體(溫度如此之高，以至于所有原子的電子都被剝離了)中旋轉電子的溫度，以及該區域磁場的強度，都影響了結果，形成了一個復雜的圖像，但它具有揭示否則無法檢測的黑洞特征的新能力。
蘭德爾·史密斯博士是哈佛&史密森尼天體物理中心(CfA)史密森尼天體物理天文臺(SAO)的天體物理學家，也是我的顧問和團隊成員，他指出，“超大質量黑洞的自旋編碼了它的歷史，暗示了它在宇宙時代是如何演變的。然而，測量自旋被證明是極其困難的；一種使用無線電極化的新方法非常令人興奮，因為M87和我們銀河系中黑洞的自旋知之甚少。”
與2017年獲得的EHT觀測結果進行比較，表明人們更喜歡具有強磁場的等離子體，加上適中的電子溫度和緩慢旋轉的黑洞，或者在快速旋轉的黑洞旁邊存在冷電子。文章圖像顯示了一個緩慢自旋的黑洞，自旋參數a = 0.3(其中a = 0對應于零自旋，a = 1對應于最快的可能自旋)和熱電子(在左側) ，與快速自旋的黑洞形成對比，a = 0.9和冷電子(在右側) 。
一項正在進行的努力包括與EHT觀測進行更定量的比較。我們在不久的將來的目標是通過在我們的模擬中使用更先進的微觀物理學來辨別黑洞的旋轉，這些模擬已經包括了廣義相對論和強磁場的影響。
哈佛大學高級研究員和團隊成員，CfA的SAO天體物理學家Shep Doeleman指出:“下一代事件視界望遠鏡(ngEHT)是一個新項目，通過向陣列添加新的碟形天線和以多個頻率進行觀測來增強EHT 。”
這種戰略擴張可能能夠檢測到新發表的效應，并對黑洞自旋進行無偏估計，讓我們對黑洞邊界的極端環境有一個全新的視角。