旋转黑洞会强烈扭曲其周围的时空结构，迫使邻近物质随之旋转，来自这些物质的辐射可能蕴含揭示黑洞性质的关键信息，尤其对于理解黑洞自旋等基本参数具有重要意义。近日，北京大学、宁波大学、上海交通大学与北京师范大学的研究人员围绕这一前沿课题开展了深入研究。通过精确的理论建模与计算，研究团队发现：靠近事件视界区域产生的同步辐射，其极化模式几乎完全由黑洞自身的时空结构所决定，基本不受周围等离子体运动状态的干扰。这一突破性发现为黑洞性质的观测提供了一种全新的、极其稳定可靠的诊断手段，尤其在精确测量黑洞自旋方面展现出巨大潜力。该研究不仅深化了我们对黑洞极端环境下电磁辐射机制的理解，也为未来基于极化观测的黑洞成像和参数反演提供了理论基础。相关成果已发表在国际权威期刊《天体物理学快报》（The Astrophysical Journal Letters）上，标志着我国科研团队在黑洞图像物理研究领域取得了具有国际影响力的重要进展。

随着事件视界望远镜（Event Horizon Telescope, EHT）近年来先后拍摄到M87和银河系中心Sgr A的黑洞阴影图像，人类首次“看见”了黑洞，也由此开启了探索极端引力环境的新纪元。极化观测作为研究黑洞与吸积动力学的关键手段，正逐渐成为理解黑洞物理的重要窗口。然而，由于极化信号同时受到磁场结构、等离子体运动和引力透镜效应等多重因素影响，如何从中提取出纯粹的引力信息，进而刻画黑洞的本征性质，一直是理论与观测面临的重大挑战。实现从“看见”黑洞到“解读”黑洞的跨越，亟需寻找新的、可稳定表征黑洞性质的观测量。

此次研究中，团队发现，在旋转黑洞的事件视界附近，强引力引发的“参考系拖曳效应”会导致磁场与等离子体形成螺旋状结构，从而在极化图像中留下清晰、稳定的极化特征。更为重要的是，这种“近视界极化”模式具有高度的普适性：在一定理想条件下，其形态主要由黑洞的时空几何决定，几乎不依赖于吸积流的具体细节。这意味着，极化图像中蕴含着黑洞“指纹”般的结构信息，可作为诊断黑洞自旋等关键参数的新型观测量。

研究成果不仅为未来高精度黑洞成像与自旋测量提供了理论基础，也为利用极化观测测试广义相对论在强引力极限下的适用性提供了新路径。随着下一代EHT观测计划的推进，这一研究有望在实际观测数据中得到验证，并进一步推动黑洞物理和基础引力理论的发展。

图：像平面上事件视界边缘的极化分布

北京大学物理学院理论物理研究所2024级博士研究生黄杰伟是论文的共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金，科技部重点研发计划重点专项和上海市科学技术委员会2022年度外国专家基础研究项目的资助。

论文原文链接

https://doi.org/10.3847/2041-8213/adee09