黑洞如何产生磁场，又该如何测量和可视化？亚伦·克罗夫特西雅图，华盛顿州

当黑洞进食时，会将物质拉入其周围形成一个盘状结构。这个盘中环绕运行的物质会被加热至极高温度，从而转变为等离子体——一种部分电子从原子中分离出来的物态。这便形成了离子，即因电子和质子数量不再相等而带电的原子。因此，这种等离子体中同时存在带正电的离子和带负电的电子。当这些带电粒子运动时，会产生电流，进而自然地形成磁场。

电子在磁场线周围回旋时会产生一种称为同步辐射的无线电波发射，我们通过事件地平线望远镜（EHT）观测这种辐射。同步辐射本质上是偏振的：无线电波的振荡方向由电子发射辐射时所处的磁力线几何结构决定。通过成像黑洞附近高温发光气体的偏振光，我们能够直接推断出贯穿气体和物质流动路径的磁场结构及其强度。

偏振光让我们了解了天体物理、气体的性质以及黑洞进食时发生的机制！大量证据表明，磁场在黑洞如何进食和喷射等离子体喷流的过程中起着关键作用。启动这些喷流的过程是宇宙中最剧烈的能量机制，极大地影响着星系的生长、合并与演化。如此巨大的破坏力竟由一个星系中心的微小天体造成，这一切都始于黑洞边缘的等离子体区域，而正是在那里，磁场发挥着主导作用。

借助事件视界望远镜，我们已经观测到了M87*和人马座A*（Sgr A*）黑洞周围的偏振结构。M87*和Sgr A*是两种非常不同的黑洞。M87*是一个极为特殊的黑洞：它的质量达到60亿个太阳质量，位于一个巨大的椭圆星系中，并持续喷射出可在所有波段观测到的强大等离子体喷流。而Sgr A*则更像一个普通的黑洞：它的质量约为400万个太阳质量，位于我们熟悉的螺旋星系——银河系之中，目前似乎没有明显的喷流现象。然而，当我们首次观测这些黑洞发出的所有光线时，它们的图像却惊人地相似。最显著的特征是光线在黑洞阴影周围发生的引力透镜效应。

本质上，黑洞的引力极其强大，会使其后方吸积盘的光线弯曲并绕其自身偏转，使我们能够看到黑洞背后的情况。观察这两个黑洞发出的所有光线，它们在整体上几乎完全相同。当我们观察极化光部分时，原本预期它们的磁场特性会有所不同——或许其中一个磁场更有序、更强，另一个则更无序、更弱。然而，由于它们在极化光下也表现出相似性，现在可以明确地看出，这两类不同的黑洞，其磁场结构非常相似。

通过两个极化图像中截然不同的黑洞，我们现在有了强有力的证据表明强磁场无处不在。下一步是将这种几何结构与这些系统的运动、演化和爆发过程联系起来。像下一代事件视界望远镜（ngEHT）和黑洞探测器（BHEX）这样的新项目，将开启黑洞研究的新领域，帮助我们解开黑洞如何吸积的谜团。ngEHT计划在地球增加更多望远镜，以完善我们地球尺度的虚拟镜面，并更频繁地进行观测。随着EHT网络的扩展，我们将能够制作黑洞的偏振电影，直接观测M87*与其喷流之间的动态关系。而BHEX则旨在在太空中增加一台望远镜，显著提升EHT的分辨率。借助这一开创性努力，我们将能够在黑洞图像中直接观测到事件视界阴影边缘的锐利光子环。这个由吸积盘发出的光线绕黑洞多次轨道后才最终逃逸形成的光子环，记录了黑洞周围时空的特性，能告诉我们黑洞的自转情况。目前普遍认为，黑洞的自转程度直接关联着其附近磁场为何呈现特定形态，以及它们如何产生喷流。（详见2025年12月的“问天问星”栏目中关于喷流的进一步解释。）萨拉·伊萨乌恩，美国国家航空航天局艾因斯坦研究员，哈佛-史密松天体物理中心，马萨诸塞州剑桥市