黑洞自旋存在！天文学家关于M87黑洞有了新发现

公众号新闻

2023-09-28 09:09

2023.09.28

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导读：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（VLBI）网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。

作者 | 第一财经金叶子

天文学家又有关于黑洞的新发现。

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（VLBI）网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。

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有力的观测证据，这项研究于北京时间9月27日夜间发表在《自然》（Nature）上。

通俗地讲，若用陀螺来比喻这个新发现，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，而晃动的陀螺轴心则是一道长达5000万光年的喷流。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。

论文第一作者兼通讯作者、之江实验室的博士后崔玉竹表示：“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。”

图为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。（图片来源：Yuzhu Cui et al. 2023、Intouchable Lab@Openverse和之江实验室）

继拍到黑洞照片后的核心问题

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。科研人员通过分析在2000年至2022年的VLBI（Very Long Baseline Interferometry）观测数据，成功地捕捉到M87中喷流的周期性进动。

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。

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。”

天马望远镜参与观测

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。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。

崔玉竹对第一财经在内的媒体表示，这个工作开始于2017年。就在2017年五月份，她处理完东亚VLBI的第一个2017年3月份观测的数据时，惊奇地发现M87的喷流指向跟以往有了一定的区别，2017年的指向比以往M87喷流的指向更加偏向南边，非常明显，这是个很奇怪又很有意思的现象。

对于这个现象，当时她是很疑惑的。“只有两个可能的原因，一个是数据或者数据处理有问题，另一个是这个可能是一个M87真实的结构变化。”为了排除第一个原因，崔玉竹处理了同年其他观测阵观测的M87的数据，得到了相同的结构变化，跟她的小导师（日本国立天文台秦和弘博士）处理的结果也一样，那就只有可能是第二个原因。

“我非常好奇是什么原因导致了喷流指向的变化，对这个问题的好奇心促使我开始了为期六年的数据观测，数据收集，数据处理和分析，终于在第7年，也就是2023年2月24号投稿自然期刊，并在7月25日被接受。”她说。

这项工作使用了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，国内的多家单位深度合作，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。

“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，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，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。

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点评称，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，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。他表示，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。

微信编辑 | 龙王

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来源: qq

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