符合广义相对论的预测，M87黑洞最新研究成果登上Nature
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机器之心编辑部
9 月 27 日，《自然》（Nature）杂志发布由 45 个机构组成的国际科研团队的最新研究成果。通过分析 2000 年至 2022 年期间的观测数据，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。这一现象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。这项研究成果为 M87 黑洞自旋的存在提供了有力观测证据（图 1）。之江实验室博士后崔玉竹为论文第一作者兼通讯作者。
图 1 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。（来源：Yuzhu Cui et al. 2023、Intouchable Lab@Openverse 和之江实验室）
成功捕捉喷流周期性进动
2019 年 4 月 10 日，全球多地天文学家同步公布了首张黑洞照片。它位于距离地球 5500 万光年的近邻星系 M87 星系中心，质量比太阳大 65 亿倍。这样的超大质量黑洞，是宇宙中最神秘且最具破坏性的天体之一。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，形成喷流。
“一束奇怪的直射线，从一片朦胧的光斑中心发出”。1918 年，天文学家首次观测到 M87 中的喷流，这也是人类观测到的第一个宇宙喷流。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？这个问题困扰了物理学家和天文学家一个多世纪。
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，会如导体切割磁场线一般产生电场，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，黑洞是否处于旋转状态至今尚没有直接的观测证据。
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。利用具有超高角分辨率的甚长基线干涉测量技术（Very Long Baseline Interferometry，VLBI），天文学家解析出非常靠近黑洞的喷流结构。科研人员通过分析 2000 年至 2022 年期间 VLBI 观测数据，成功地捕捉到 M87 中喷流的周期性进动（图 2）（进动 precession：一个自转的刚体受外力作用导致其自转轴绕某一中心的旋转现象）。
到底是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，它们由黑洞的引力会不断的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曳，即爱因斯坦的广义相对论预测的 “参考系拖曳效应”，进而引发吸积盘和喷流周期性的进动。
图 2 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。（来源：Yuzhu Cui et al. 2023）
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，并结合 M87 性质，使用超级计算机进行了最新的数值模拟。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，会因参考系拖曳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。
揭示更多黑洞奥秘需计算助力
“我们很开心也很幸运能有这一重大发现。2017 年，我在处理 M87 星系的 EAVN 数据时，看到了喷流结构明显和以往的结构方向不同。从此开启了为期六年的细致的数据处理、大量的理论文章调研以及无数次与合作者的讨论。” 论文第一作者兼通讯作者、之江实验室博士后崔玉竹表示，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，积累超两个周期长达 23 年的高分辨率数据，并对 M87 结构仔细分析，都是获得这一成果的必要条件。
“非常感谢众多合作者的帮助和支持，以及期刊编辑和评审的宝贵意见。值得一提的是，我们文章的审稿人之一是 VLBI 射电天文研究领域的传奇人物 James Moran。” 崔玉竹说道。
据悉，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。
图 3 东亚 VLBI 网络中参加了此论文的望远镜分布（来源：Kazuhiro Hada, Yuzhu Cui et al. 2023）
EAVN 有关活动星系核的科学工作组协调员、日本工学院大学的 Motoki Kino 博士表示：“这是一个令人兴奋的科学里程碑，多亏了来自世界各地 45 个机构的研究人员多年的共同观测，我们最终揭示了这一科学奥秘。观测数据与进动模型的预测完美契合，大大推动了我们对黑洞和喷流系统的理解。”
“基于这项工作，我们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天体面临更大的挑战。还有很多谜团需要更多的长期观测和更加详细的分析。” 本次成果的重要合作单位、中国科学院上海天文台沈志强研究员表示，“近期开工建设的上海天文台日喀则 40 米射电望远镜，建成后将进一步提升 EAVN 的高分辨率毫米波成像观测能力，有望催生更多天文发现。”
崔玉竹表示，吸积盘的精细的结构和 M87 超大质量黑洞的自旋精确值仍待进一步研究。而这进一步的研究，有赖于非常大量的物理参数的搜索，需要超强的智能计算算力的支撑。
“中国天眼” FAST 首席科学家、之江实验室天文计算首席科学家李菂表示，越来越多射电望远镜的建成将带来观测数据的爆炸式增长，天文研究越来越需要智能计算的支撑。之江实验室正在将人工智能、云计算等技术引入天文研究，提高数据处理效率、拓展物理参数探索空间。相信计算科学和射电天文的深度融合将有力推动黑洞等宇宙神秘现象的本质揭示。