人类首拍照片黑洞再获重大发现：喷流周期性摆动证实黑洞自旋

本文转自：中国新闻网

中新网北京9月27日电 (记者 孙自法 郑莹莹)继人类首次拍摄获得第一张黑洞照片、实现黑洞阴影和强大喷流同框成像“全景图”之后，距离地球5500万光年、质量为太阳65亿倍的室女座星系团中超大质量星系梅西耶(Messier)87(M87)中心黑洞最新又一次收获重大发现——该黑洞喷流呈现周期性摆动，摆动周期约为11年，振幅约为10度。

本项研究成果的倾斜吸积盘模型的示意图。之江实验室博士后崔玉竹等供图

这项天文新发现成果由包括中国5家研究机构在内全球45个研究机构科研人员组成的国际科研团队进行合作，通过分析多个甚长基线干涉测量(VLBI)网在2000年至2022年的观测数据研究完成，结果符合爱因斯坦的广义相对论关于“如果黑洞处于旋转状态，会导致参考系拖曳效应”的预测，成功将M87星系中心黑洞喷流的动力学与该黑洞的状态联系起来，为M87黑洞自旋的存在提供了有力的观测证据。

北京时间9月27日夜间，M87黑洞这一重磅成果论文在国际著名学术期刊《自然》(Nature)上线发表。

破解困扰科学家一个多世纪的难题

本项研究由之江实验室、云南大学中国西南天文研究所、上海交通大学李政道研究所、中国科学院上海天文台、中国科学院新疆天文台等领衔国际科研团队合作开展。据该团队介绍，活跃星系中心的超大质量黑洞，是宇宙中最具破坏性且最神秘的天体之一。它们引力巨大，通过吸积盘“吃进”大量物质，同时也将物质以接近光速的高速“吐出”到数千光年以外。然而，超大质量黑洞、吸积盘和喷流之间的能量传输机制是怎样的？这是一个困扰了物理学家和天文学家一个多世纪的难题。

目前，科学家们广泛接受的理论认为，黑洞的角动量是能量的来源，一种可能是如果黑洞附近存在磁场且黑洞处于旋转状态，会如导体切割磁力线一般产生电场，从而加速黑洞周围的电离体，最终部分物质会携带巨大的能量被喷射出去。其中，超大质量黑洞的自旋，是这一理论的关键因素，但黑洞自旋参数极难测量，甚至黑洞是否处于旋转状态至今尚没有直接的观测证据。

为此，国际科研团队针对M87星系中心超大质量黑洞及其喷流进行研究。此前，天文学家于1918年首次在光学波段观测到M87星系中的喷流，这也是人类观测到的第一个宇宙喷流。M87星系因此成为天文学家研究黑洞与喷流之间关系的最佳目标源，能够利用具有超高角分辨率的VLBI技术解析出非常靠近黑洞的喷流结构。在这次研究中，科研人员通过分析最近23年来的VLBI观测数据，成功捕捉到M87黑洞中喷流的周期性摆动。

观测肯定饕餮般的黑洞确实在自旋

宇宙中到底有什么力量可以规律地改变能量巨大的黑洞喷流的方向？经过大量分析，国际科研团队推断答案可能就隐藏在吸积盘的动力学性质中：具有一定角动量的物质会绕着黑洞作轨道运动并形成吸积盘，它们受到黑洞的引力会不断靠近黑洞直到不可逆地被“吸食”到黑洞里。

不过，吸积盘的角动量可受多种随机因素影响，极有可能与黑洞自旋轴存在一定夹角，但黑洞的超强引力会对周围的时空产生重大影响，会导致附近物体沿着黑洞的旋转方向被拖曳，即爱因斯坦广义相对论预测的“参考系拖曳效应”，进而引发吸积盘和喷流周期性的摆动。

上图：2013年至2018年期间每两年合并后的M87喷流结构(观测频段为43GHz)；下图：基于2000年至2022年以一年为单位合并的图像得出的最佳拟合结果。之江实验室博士后崔玉竹等供图

研究人员科普称，如果把M87黑洞的自旋方向视为垂直于地面，那么吸积盘就如同与地面形成一定角度的陀螺螺体，而晃动的陀螺轴则是一道长达5000光年的喷流。不同的是，陀螺运动的支点在它的下方，而吸积盘的运动中心是其中心的黑洞。

国际科研团队基于观测结果进行大量细致的理论调研和分析，并使用超级计算机结合M87性质进行最新数值模拟，结果证实，当吸积盘的旋转轴与黑洞的自旋轴存在夹角时，会因参考系拖曳效应导致整个吸积盘的摆动，而喷流受吸积盘的影响也产生摆动。探测到喷流的摆动可为M87中心黑洞的自旋提供有力的观测证据，从而带来对超大质量黑洞性质的新认知。

本研究成果论文第一作者兼通讯作者、之江实验室博士后崔玉竹指出，由于黑洞自旋轴与吸积盘角动量之间的夹角较小、摆动周期又超过十年，积累超两个周期的高分辨率数据，并对M87结构的仔细分析，都是获得这一成果的必要条件。

日本国立天文台秦和弘(Kazuhiro Hada)博士补充说，继使用事件视界望远镜(EHT)拍摄到M87星系中的黑洞照片后，这个黑洞是否在自旋就一直是科学家们关注的最核心问题，这次研究成果从观测上进一步肯定了以往的预期，这个饕餮般的黑洞确实在自旋。

将揭示黑洞等宇宙神秘现象的本质

此次M87黑洞喷流观测研究工作使用包括东亚VLBI网(EAVN)、美国的甚长基线阵列(VLBA)、韩国KVN和日本VERA联合阵列(KaVA)以及东亚到意大利/俄罗斯联合的EATING观测网在内多个国际观测网络的170个观测数据，全球超过20个射电望远镜做出贡献。

参与本项研究的东亚VLBI网(EAVN)分布示意图。之江实验室博士后崔玉竹等供图

同时，在项目研究进行过程中，中国多家科研单位深度合作：中国科学院上海天文台65米天马望远镜和中国科学院新疆天文台南山26米射电望远镜自2017年起持续参与东亚VLBI网观测，分别在提高观测灵敏度和角分辨率上发挥重要作用，云南大学中国西南天文研究所林伟康副研究员、上海交通大学李政道研究所水野阳介(Yosuke Mizuno)副教授、中国人民解放军空军预警学院俞锦涛博士、中国科学院上海天文台江悟副研究员和中国科学院新疆天文台崔朗研究员等在数据分析处理和理论模型对比解释中做出重要贡献。

参与本项研究的东亚到意大利/俄罗斯联合的EATING观测网分布示意图。之江实验室博士后崔玉竹等供图

基于这项研究工作，国际科研团队预测还有更多的星系中心黑洞具有类似倾斜的吸积盘结构，但如何探测到更多具有倾斜盘的源也面临更大挑战，还有很多谜团需要更多的长期观测和更加详细的分析。中国科学院上海天文台沈志强研究员强调，最近这些年来的科学发现，已充分展现毫米波VLBI技术在研究超大质量黑洞和探索宇宙奥秘中的独特优势。近期开工建设的上海天文台日喀则40米射电望远镜，建成后也将进一步提升东亚VLBI网的高分辨率毫米波成像观测能力，特别是其所在的青藏高原是全球范围内最适合开展(亚)毫米波观测的优良站址区域之一，“我们希望藉此推动发展中国亚毫米波天文观测”。

中国科学院国家天文台研究员、“中国天眼”(500米口径球面射电望远镜，FAST)首席科学家、之江实验室计算天文首席科学家李菂点评指出，宇宙从来不是寂静无声的，随着现代天文学特别是射电天文的发展，可通过射电望远镜捕捉到巨量且丰富的宇宙信号。射电望远镜和手机接收信号的基本原理一致，都需要在时域高速采样，从而产生海量数据。进一步深度融合高速发展的计算科学前沿和射电天文探索将能揭示包括黑洞在内的宇宙神秘现象的本质。随着数据的不断积累，之江实验室正在将人工智能、云计算等技术引入到天文研究，提高数据处理效率、扩大探究物理参数的空间。

国际科研团队表示，本项开创性研究体现出国际合作对解开宇宙奥秘的重要性。“在我们为这一里程碑庆祝之后，探索这些神秘的超大质量黑洞的旅程仍在继续，让我们一步步地揭开宇宙的更多奥秘”。