背景

黑洞是宇宙中最神秘的天體之一，它們的存在和性質是廣義相對論的重要預言。黑洞的特征是它們的事件視界，也就是黑洞的邊界，任何物質或光線都無法從事件視界逃逸出來。因此，黑洞本身是不可見的，但是我們可以通過觀測黑洞周圍的物質來間接地探測黑洞的存在和性質。

黑洞有兩個基本的參數，就是它們的質量和角動量。質量決定了黑洞的大小，而角動量決定了黑洞的旋轉速度。黑洞的旋轉能量是一個巨大的能源，如果能夠被有效地利用，就可以為一些強大的天體現象提供動力，比如黑洞噴流。黑洞噴流是一種從黑洞附近發射出來的高速、高能的物質流，它們可以延伸到幾百萬光年的距離，是宇宙中最明亮的電磁輻射源之一。

黑洞噴流的形成機制是一個長期的未解之謎，但是一個廣泛接受的理論是由 Blandford 和 Znajek 在 1977 年提出的，他們認為黑洞周圍的電磁場可以從黑洞的旋轉中抽取能量，并且將這些能量轉化為噴流的動能。這個過程被稱為 Blandford-Znajek 機制，它是一種電磁能量抽取的方式，也就是說，黑洞的旋轉能量通過電磁場的作用被輸送到遠離黑洞的區域，形成一個向外的能量流，也就是 Poynting 流。

觀測

要驗證 Blandford-Znajek 機制是否真的發生在黑洞周圍，我們需要能夠觀測到黑洞附近的電磁場的結構和變化。幸運的是，近年來，一個國際合作的項目，叫做事件視界望遠鏡（EHT），已經實現了對黑洞周圍的物質進行高分辨率、事件視界尺度的觀測。EHT 利用了一種技術，叫做長基線干涉測量（VLBI），它可以將地球上不同地點的射電望遠鏡連接起來，形成一個相當于地球大小的虛擬望遠鏡，從而達到極高的分辨率。

EHT 的目標之一是觀測 M87 星系中心的超大質量黑洞，它是一個質量約為 65 億倍太陽質量的黑洞，它距離我們約為5400萬光年，它的事件視界的直徑約為4 億公里。M87* 也是一個有噴流的黑洞，它的噴流長度超過了5000光年，是宇宙中最壯觀的噴流之一。

EHT 不僅可以觀測到 M87* 周圍的亮度分布，也就是強度圖像，還可以觀測到 M87* 周圍的偏振分布，也就是偏振圖像。偏振是一種描述電磁波振動方向的物理量，它可以反映出電磁波的來源和傳播過程中的信息。對于 M87* 周圍的物質，它們主要是通過同步輻射發出電磁波，這種輻射是由高速運動的帶電粒子在磁場中發出的，它的偏振方向和磁場的方向有關。因此，通過觀測 M87* 周圍的偏振圖像，我們可以間接地探測到 M87* 周圍的磁場的結構，從而判斷是否存在電磁能量抽取的現象。

結果

在一篇論文中，作者提出了一個簡單的偏振觀測量，它可以直接反映出黑洞周圍的電磁能量流的方向，從而判斷是否存在電磁能量抽取的現象。這個偏振觀測量是偏振圖像的第二個方位傅里葉模的相位，也就是 ∠β_2。作者證明了，對于軸對稱的電磁場，這個相位取決于磁場的徑向分量和方位向分量的比值，而這個比值又和 Poynting 流的符號成正比，也就是 P_φ。因此，通過測量 ∠β_2 的符號，我們就可以知道 P_φ 的符號，從而判斷電磁能量是向外流出還是向內流入。如果是向外流出，就說明存在電磁能量抽取的現象，如果是向內流入，就說明不存在電磁能量抽取的現象。

作者利用了一些數值模擬的數據，來驗證他們的理論。他們發現，在不同的模型參數下， ∠β_2 的符號都和 P_φ 的符號一致，而且 ∠β_2 的值隨著靠近黑洞的距離的減小而增大，這說明 ∠β_2 是一個敏感的偏振觀測量，可以反映出黑洞附近的電磁能量流的方向。

作者還利用了 EHT 在 2017 年對 M87* 的觀測數據，來應用他們的方法。他們發現，在 EHT 的波段，M87* 周圍的偏振圖像受到了法拉第旋轉的影響，這是一種由于物質的磁化而導致的偏振方向的旋轉。為了消除這種影響，作者使用了一種方法，叫做法拉第旋轉測量，來恢復原始的偏振圖像。

他們發現，在 M87* 的事件視界附近， ∠β_2 的值約為 -0.5 ，這意味著 P_φ 的符號為負，也就是說，電磁能量是向內流入的，而不是向外流出的。這個結果與 Blandford-Znajek 機制的預期相反，也就是說，M87* 的噴流可能不是由黑洞的旋轉能量驅動的，而是由其他的機制，比如吸積盤的旋轉能量或者磁場的再連接來驅動的。