偏振测量：黑洞旋转能量抽取的标志

背景

黑洞是宇宙中最神秘的天体之一，它们的存在和性质是广义相对论的重要预言。黑洞的特征是它们的事件视界，也就是黑洞的边界，任何物质或光线都无法从事件视界逃逸出来。因此，黑洞本身是不可见的，但是我们可以通过观测黑洞周围的物质来间接地探测黑洞的存在和性质。

黑洞有两个基本的参数，就是它们的质量和角动量。质量决定了黑洞的大小，而角动量决定了黑洞的旋转速度。黑洞的旋转能量是一个巨大的能源，如果能够被有效地利用，就可以为一些强大的天体现象提供动力，比如黑洞喷流。黑洞喷流是一种从黑洞附近发射出来的高速、高能的物质流，它们可以延伸到几百万光年的距离，是宇宙中最明亮的电磁辐射源之一。

黑洞喷流的形成机制是一个长期的未解之谜，但是一个广泛接受的理论是由 Blandford 和 Znajek 在 1977 年提出的，他们认为黑洞周围的电磁场可以从黑洞的旋转中抽取能量，并且将这些能量转化为喷流的动能。这个过程被称为 Blandford-Znajek 机制，它是一种电磁能量抽取的方式，也就是说，黑洞的旋转能量通过电磁场的作用被输送到远离黑洞的区域，形成一个向外的能量流，也就是 Poynting 流。

观测

要验证 Blandford-Znajek 机制是否真的发生在黑洞周围，我们需要能够观测到黑洞附近的电磁场的结构和变化。幸运的是，近年来，一个国际合作的项目，叫做事件视界望远镜（EHT），已经实现了对黑洞周围的物质进行高分辨率、事件视界尺度的观测。EHT 利用了一种技术，叫做长基线干涉测量（VLBI），它可以将地球上不同地点的射电望远镜连接起来，形成一个相当于地球大小的虚拟望远镜，从而达到极高的分辨率。

EHT 的目标之一是观测 M87 星系中心的超大质量黑洞，它是一个质量约为 65 亿倍太阳质量的黑洞，它距离我们约为5400万光年，它的事件视界的直径约为4 亿公里。M87* 也是一个有喷流的黑洞，它的喷流长度超过了5000光年，是宇宙中最壮观的喷流之一。

EHT 不仅可以观测到 M87* 周围的亮度分布，也就是强度图像，还可以观测到 M87* 周围的偏振分布，也就是偏振图像。偏振是一种描述电磁波振动方向的物理量，它可以反映出电磁波的来源和传播过程中的信息。对于 M87* 周围的物质，它们主要是通过同步辐射发出电磁波，这种辐射是由高速运动的带电粒子在磁场中发出的，它的偏振方向和磁场的方向有关。因此，通过观测 M87* 周围的偏振图像，我们可以间接地探测到 M87* 周围的磁场的结构，从而判断是否存在电磁能量抽取的现象。

结果

在一篇论文中，作者提出了一个简单的偏振观测量，它可以直接反映出黑洞周围的电磁能量流的方向，从而判断是否存在电磁能量抽取的现象。这个偏振观测量是偏振图像的第二个方位傅里叶模的相位，也就是 ∠β_2。作者证明了，对于轴对称的电磁场，这个相位取决于磁场的径向分量和方位向分量的比值，而这个比值又和 Poynting 流的符号成正比，也就是 P_φ。因此，通过测量 ∠β_2 的符号，我们就可以知道 P_φ 的符号，从而判断电磁能量是向外流出还是向内流入。如果是向外流出，就说明存在电磁能量抽取的现象，如果是向内流入，就说明不存在电磁能量抽取的现象。

作者利用了一些数值模拟的数据，来验证他们的理论。他们发现，在不同的模型参数下， ∠β_2 的符号都和 P_φ 的符号一致，而且 ∠β_2 的值随着靠近黑洞的距离的减小而增大，这说明 ∠β_2 是一个敏感的偏振观测量，可以反映出黑洞附近的电磁能量流的方向。

作者还利用了 EHT 在 2017 年对 M87* 的观测数据，来应用他们的方法。他们发现，在 EHT 的波段，M87* 周围的偏振图像受到了法拉第旋转的影响，这是一种由于物质的磁化而导致的偏振方向的旋转。为了消除这种影响，作者使用了一种方法，叫做法拉第旋转测量，来恢复原始的偏振图像。

他们发现，在 M87* 的事件视界附近， ∠β_2 的值约为 -0.5 ，这意味着 P_φ 的符号为负，也就是说，电磁能量是向内流入的，而不是向外流出的。这个结果与 Blandford-Znajek 机制的预期相反，也就是说，M87* 的喷流可能不是由黑洞的旋转能量驱动的，而是由其他的机制，比如吸积盘的旋转能量或者磁场的再连接来驱动的。