黑洞自旋終于找到更為有力的觀測證據！中原標準時間9月27日，國際頂刊《自然》（Nature）刊發一篇由中國科學家領銜的黑洞研究成果論文，發現M87星系中心黑洞噴流呈現周期性擺動，擺動周期約為11年，振幅約為10度。
這項研究成果成功地将M87星系中心黑洞噴流的動力學與該星系中心超大品質黑洞的狀态聯系起來，為M87黑洞自旋的存在提供了觀測證據。這是繼2019年首張黑洞“甜甜圈”照片和今年4月黑洞全景照片釋出後，黑洞研究領域又一重大成果。
據介紹，來自全球10個國家的45個研究機構的79名科研人員組成的國際科研團隊，分析了多個“甚長基線幹涉測量”網（Very Long Baseline Interferometry，簡稱VLBI）從2000年至2022年的觀測資料。這項跨度23年170個資料集的觀測資料分析得到的結果，證明了愛因斯坦的廣義相對論中關于“如果黑洞處于旋轉狀态，會存在拖曳效應”的預測。
黑洞是否自旋一直是科學界的焦點問題
活躍于星系中心的超大品質黑洞，是宇宙中最具破壞性且最神秘的天體之一。它們引力巨大，通過吸積盤“吃進”大量物質，同時也将物質以接近光速的高速“吐出”到數千光年以外。然而，超大品質黑洞、吸積盤和噴流之間的能量傳輸機制是怎樣的？這是一個困擾了實體學家和天文學家一個多世紀的難題。
目前，科學家們廣泛接受的理論認為，黑洞的角動量是能量的來源，一種可能是如果黑洞附近存在磁場且黑洞處于旋轉狀态，會如導體切割磁力線一般産生電場，進而加速黑洞周圍的電離體，最終部分物質會攜帶巨大的能量被噴射出去。其中，超大品質黑洞的自旋，是這一理論的關鍵因素。但黑洞自旋參數極難測量，甚至黑洞是否處于旋轉狀态至今尚沒有直接的觀測證據。
日本國立天文台的秦和弘博士說：“繼使用事件視界望遠鏡拍攝到M87星系中的黑洞照片後，這個黑洞是否在自旋就一直是科學家們關注的最核心問題。”
為了研究這個具有挑戰性的問題，科研人員針對M87星系中心超大品質黑洞及其噴流進行了研究。M87星系是一個距離地球5500萬光年的近鄰星系，其中心有一個品質比太陽大65億倍的黑洞，天文學家在1918年首次在光學波段觀測到M87中的噴流，這也是人類觀測到的第一個宇宙噴流。這些特征讓M87星系成為了天文學家研究黑洞與噴流之間關系的最佳目标源，天文學家能夠利用具有超高角分辨率的VLBI技術解析出非常靠近黑洞的噴流結構。
全球科學家攜手合作，揭開饕餮般的黑洞自旋現象
這項研究論文第一作者兼通訊作者、之江實驗室的博士後研究員崔玉竹，2017年在攻讀博士期間，開始接觸事件視界望遠鏡項目。在2017年處理第一個EAVN觀測資料時，M87的噴流結構呈現出與以往認知所不同的指向角度。她通過認真比對發現，M87黑洞噴流并非隻朝向一個方向恒定不變，不同年份觀測的資料顯示，噴流的方向不盡相同且似乎具有一定的規律。是什麼引起噴流的方向發生偏轉？從此，崔玉竹開始了主持了針對M87黑洞噴流角度的長期監測項目。
這個長期監測項目由中日韓聯合的東亞VLBI網觀測，國内的多家機關開啟了深度合作。2017年起，中國科學院上海天文台65米天馬望遠鏡和新疆天文台南山26米射電望遠鏡自持續參與東亞VLBI網（簡稱EAVN）觀測，分别在提高觀測靈敏度和角分辨率上發揮了重要作用。
這項工作使用了包括東亞VLBI網（EAVN）、美國的甚長基線陣列（VLBA）、南韓KVN和日本VERA聯合陣列（KaVA）以及東亞到意大利/俄羅斯聯合的EATING觀測網在内的多個國際觀測網絡的170個觀測資料，全球超過20個射電望遠鏡為這項研究做出了貢獻。科研人員通過分析最近23年來的VLBI觀測資料，成功地捕捉到M87中噴流的周期性進動。
宇宙中到底有什麼力量可以規律地改變這一能量巨大的噴流的方向？經過大量的分析，研究團隊推斷問題的答案可能就隐藏在吸積盤的動力學性質中：具有一定角動量的物質會繞着黑洞作軌道運動并形成吸積盤，它們受到黑洞的引力會不斷地靠近黑洞直到不可逆地被“吸食”到黑洞裡。然而，吸積盤的角動量可受多種随機因素影響，極有可能與黑洞自旋軸存在一定夾角。但黑洞的超強引力會對周圍的時空産生重大的影響，會導緻附近的物體沿着黑洞的旋轉方向被拖拽，進而引發吸積盤和噴流周期性的進動。
研究團隊基于觀測結果進行了大量細緻的理論調研和分析，并使用超級計算機進行了最新的結合了M87性質的數值模拟。數值模拟的結果證明了當吸積盤的旋轉軸與黑洞的自旋軸存在夾角時，會因參考系拖拽效應導緻整個吸積盤的進動，而噴流受吸積盤的影響也産生進動。探測到噴流的進動可為M87中心黑洞的自旋提供有力的觀測證據，帶來對超大品質黑洞性質的新認知。
崔玉竹說：“我們很開心也很幸運能有這一重大發現。由于黑洞自旋軸與吸積盤角動量之間的夾角較小、進動周期又超過十年，積累超兩個周期的高分辨率資料，并對M87結構的仔細分析，都是獲得這一成果的必要條件。”
秦和弘博士說：“現在，我們的成果從觀測上進一步肯定了以往的預期，這個饕餮般的黑洞确實在自旋。”
在項目過程中，雲南大學中國西南天文研究所的副研究員林偉康、上海交通大學李政道研究所水野陽介副教授、中國人民解放軍空軍預警學院俞錦濤博士、中國科學院上海天文台江悟副研究員和新疆天文台崔朗研究員等在資料分析處理和理論模型對比解釋中做出了重要貢獻。
宇宙探索之旅仍将繼續
“基于這項工作，該研究團隊預測還有更多的星系中心黑洞具有類似的傾斜的吸積盤結構，但如何探測到更多具有傾斜盤的源也面臨更大的挑戰。還有很多謎團需要更多的長期觀測和更加詳細的分析。”中國科學院上海天文台沈志強研究員強調，“近年來的科學發現，已經充分展現了毫米波VLBI技術在研究超大品質黑洞和探索宇宙奧秘中的獨特優勢。
近期開工建設的上海天文台日喀則40米射電望遠鏡，建成後也将進一步提升EAVN的高分辨率毫米波成像觀測能力。尤其是其所在的青藏高原是全球範圍内最适合開展（亞）毫米波觀測的優良站址區域之一，科學家們希望藉此推動發展中國亞毫米波天文觀測。”
“宇宙從來不是寂靜無聲的，随着現代天文學，特别是射電天文的發展，我們通過射電望遠鏡捕捉到了巨量且豐富的宇宙信号。射電望遠鏡和手機接收信号的基本原理一緻，都需要在時域高速采樣，進而産生海量的資料。進一步深度融合高速發展的計算科學前沿和射電天文探索将能揭示包括黑洞在内的宇宙神秘現象的本質。”中國科學院國家天文台研究員、“中國天眼”首席科學家、之江實驗室計算天文首席科學家李菂說。
随着資料的不斷積累，之江實驗室正在将人工智能、雲計算等技術引入到天文研究，提高資料處理效率、擴大探究實體參數的空間。
這項開創性的研究展現了國際合作在解開宇宙奧秘時的重要性。崔玉竹說，這項研究為黑洞理論研究提供了新的理論模型方向，理論實體學家們或許可以據此進一步發展黑洞理論。而科學研究就是在提出猜想或理論、尋找實驗資料驗證、模型修正的過程中不斷前進，一步步地靠近科學真理。
M87黑洞的自旋到底有多快？觀測結果顯示吸積盤比較小，這是為什麼？其他星系也存在類似的噴流進動現象嗎？這些謎團有待科學家進一步探索，揭開宇宙更多奧秘的旅程仍将繼續。
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責編 | 梁澤銘
編輯：梁澤銘
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