中国科学家领衔找到黑洞自旋更有力的观测证据
本文转自【人民日报客户端】；
黑洞自旋终于找到更为有力的观测证据！北京时间9月27日，国际顶刊《自然》（Nature）刊发一篇由中国科学家领衔的黑洞研究成果论文，发现M87星系中心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。这项研究成果成功地将M87星系中心黑洞喷流的动力学与该星系中心超大质量黑洞的状态联系起来，为M87黑洞自旋的存在提供了观测证据。这是继2019年首张黑洞“甜甜圈”照片和今年4月黑洞全景照片发布后，黑洞研究领域又一重大成果。
据介绍，来自全球10个国家的45个研究机构的79名科研人员组成的国际科研团队，分析了多个“甚长基线干涉测量”网（Very Long Baseline Interferometry，简称VLBI）从2000年至2022年的观测数据。这项跨度23年170个数据集的观测数据分析得到的结果，证明了爱因斯坦的广义相对论中关于“如果黑洞处于旋转状态，会存在拖曳效应”的预测。
倾斜吸积盘模型的示意图。假设黑洞的自旋轴竖直向上，喷流的方向几乎垂直于吸积盘的盘面，黑洞自旋轴和吸积盘旋转轴之间的存在一定夹角，即为倾斜的吸积盘模型。黑洞和吸积盘的角动量方向存在的夹角会触发吸积盘和喷流的进动。（采访对象供图）
黑洞是否自旋一直是科学界的焦点问题
活跃于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。
日本国立天文台的秦和弘博士说：继使用事件视界望远镜拍摄到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。
为了研究这个具有挑战性的问题，科研人员针对M87星系中心超大质量黑洞及其喷流进行了研究。M87星系是一个距离地球5500万光年的近邻星系，其中心有一个质量比太阳大65亿倍的黑洞，天文学家在1918年首次在光学波段观测到M87中的喷流，这也是人类观测到的第一个宇宙喷流。这些特征让M87星系成为了天文学家研究黑洞与喷流之间关系的最佳目标源，天文学家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。
全球科学家携手合作，揭开饕餮般的黑洞自旋现象
这项研究论文第一作者兼通讯作者、之江实验室的博士后研究员崔玉竹，2017年在攻读博士期间，开始接触事件视界望远镜项目。在2017年处理第一个EAVN观测数据时，M87的喷流结构呈现出与以往认知所不同的指向角度。她通过认真比对发现，M87黑洞喷流并非只朝向一个方向恒定不变，不同年份观测的数据显示，喷流的方向不尽相同且似乎具有一定的规律。是什么引起喷流的方向发生偏转？从此，崔玉竹开始了主持了针对M87黑洞喷流角度的长期监测项目。
这个长期监测项目由中日韩联合的东亚VLBI网观测，国内的多家单位开启了深度合作。2017年起，中国科学院上海天文台65米天马望远镜和新疆天文台南山26米射电望远镜自持续参与东亚VLBI网（简称EAVN）观测，分别在提高观测灵敏度和角分辨率上发挥了重要作用。
这项工作使用了包括东亚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观测网在内的多个国际观测网络的170个观测数据，全球超过20个射电望远镜为这项研究做出了贡献。科研人员通过分析最近23年来的VLBI观测数据，成功地捕捉到M87中喷流的周期性进动。
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43 GHz）。对应的年份显示在左上角。白色箭头指示了每个子图中的喷流位置角度。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。绿色点和蓝色点分别来自22 GHz和43 GHz的观测频段的数据。红线表示根据进动模型的最佳拟合结果。（采访对象供图）
宇宙中到底有什么力量可以规律地改变这一能量巨大的喷流的方向？经过大量的分析，研究团队推断问题的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地靠近黑洞直到不可逆地被“吸食”到黑洞里。然而，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的影响，会导致附近的物体沿着黑洞的旋转方向被拖拽，进而引发吸积盘和喷流周期性的进动。
研究团队基于观测结果进行了大量细致的理论调研和分析，并使用超级计算机进行了最新的结合了M87性质的数值模拟。数值模拟的结果证实了当吸积盘的旋转轴与黑洞的自旋轴存在夹角时，会因参考系拖拽效应导致整个吸积盘的进动，而喷流受吸积盘的影响也产生进动。探测到喷流的进动可为M87中心黑洞的自旋提供有力的观测证据，带来对超大质量黑洞性质的新认知。
崔玉竹说：“我们很开心也很幸运能有这一重大发现。由于黑洞自旋轴与吸积盘角动量之间的夹角较小、进动周期又超过十年，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。”
秦和弘博士说：“现在，我们的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。”
在项目过程中，云南大学中国西南天文研究所的副研究员林伟康、上海交通大学李政道研究所水野阳介副教授、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了重要贡献。
宇宙探索之旅仍将继续
“基于这项工作，该研究团队预测还有更多的星系中心黑洞具有类似的倾斜的吸积盘结构，但如何探测到更多具有倾斜盘的源也面临更大的挑战。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，“近年来的科学发现，已经充分展现了毫米波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EAVN的高分辨率毫米波成像观测能力。尤其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，科学家们希望藉此推动发展中国亚毫米波天文观测。”
“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，我们通过射电望远镜捕捉到了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，从而产生海量的数据。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。”中国科学院国家天文台研究员、“中国天眼”首席科学家、之江实验室计算天文首席科学家李菂说。
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。
这项开创性的研究体现了国际合作在解开宇宙奥秘时的重要性。崔玉竹说，这项研究为黑洞理论研究提供了新的理论模型方向，理论物理学家们或许可以据此进一步发展黑洞理论。而科学研究就是在提出猜想或理论、寻找实验数据验证、模型修正的过程中不断前进，一步步地靠近科学真理。
M87黑洞的自旋到底有多快？观测结果显示吸积盘比较小，这是为什么？其他星系也存在类似的喷流进动现象吗？这些谜团有待科学家进一步探索，揭开宇宙更多奥秘的旅程仍将继续。