天文学家发现M87星系中黑洞喷流周期性进动，证明黑洞存在自旋
·天文学家通过分析多个甚长基线干涉测量网在2000年-2022年的观测数据，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。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。
黑洞、吸积盘和喷流。
超大质量黑洞、吸积盘和喷流之间的能量传输机制这个难题困扰了物理学家和天文学家一个多世纪。科学家认为，超大质量黑洞的自旋是能量来源的关键因素，但黑洞是否处于旋转状态至今尚没有直接的观测证据。
最近，由来自全球45个研究机构的科研人员组成的国际科研团队通过分析多个甚长基线干涉测量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）网在2000年至2022年的观测数据，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。
这项研究成果成功将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。相关研究于北京时间9月27日发表在《自然》杂志上。
M87星系中黑洞喷流周期性进动
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到底是怎样的，这个难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，会像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。
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。
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。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中喷流的周期性进动。
研究团队基于观测结果进行了大量理论调研和分析，并使用超级计算机进行结合了M87性质的最新数值模拟。数值模拟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。
日本国立天文台的Kazuhiro Hada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。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。”
超20个射电望远镜捕捉宇宙信号
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。”
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）。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。
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22GHz和43GHz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。
这项研究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。在项目进行过程中，国内多家单位深度合作，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2017年起持续参与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。
“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研究员沈志强表示，最近这些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米射电望远镜在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。“特别地，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。”
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，人类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。”之江实验室计算天文首席专家、中国科学院国家天文台研究员、“中国天眼”FAST首席科学家李菂点评说。随着数据不断积累，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。