人類首次“看見”的那個黑洞 被證明確實在自旋！

在中國科學(xué)家主導(dǎo)、全球45個科研機構(gòu)組成的國際科研團隊共同努力下，人類首次“看見”的那個黑洞M87，被證明確實在自旋，這一現(xiàn)象符合愛因斯坦廣義相對論的相關(guān)預(yù)測。

9月27日，相關(guān)研究成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）。

傾斜吸積盤模型的示意圖 科研人員制圖

人類首次“看見”的那個黑洞，位于室女座一個巨橢圓星系M87的中心，距離地球5500萬光年，質(zhì)量約為太陽的65億倍。2019年，科學(xué)家首次發(fā)布M87黑洞的圖像，此后持續(xù)開展對M87黑洞的觀測研究。

這項最新研究成果的論文第一作者兼通訊作者、之江實驗室博士后崔玉竹介紹，利用甚長基線干涉測量（VLBI）技術(shù)，科研人員在解析M87黑洞噴流結(jié)構(gòu)過程中，驚奇地發(fā)現(xiàn)東亞VLBI網(wǎng)在2017年3月觀測到的M87黑洞噴流指向，與以往有所不同。緊盯這一蛛絲馬跡，通過深入分析近23年來全球多個VLBI網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)，最終發(fā)現(xiàn)M87黑洞噴流呈現(xiàn)周期性擺動，擺動周期約為11年，振幅約為10度。這首次為黑洞自旋理論提供了最有力的觀測證據(jù)。

活動星系中心的超大質(zhì)量黑洞，堪稱宇宙中最具破壞性的神秘天體之一。它們引力巨大，通過吸積盤“吃進”大量物質(zhì)，同時又將物質(zhì)以接近光速的高速“吐出來”，力量之大可以“吐到”數(shù)千光年以外。宇宙中到底有什么力量可以改變黑洞噴流方向，使其產(chǎn)生周期性擺動呢？

上圖：2013年至2018年期間每兩年合并后的M87噴流結(jié)構(gòu)，觀測頻段為43GHz。下圖：基于2000年至2022年以一年為單位合并的圖像得出的最佳擬合結(jié)果?？蒲腥藛T制圖

在更深入的研究中，科研團隊基于觀測結(jié)果進行了大量理論調(diào)研和細致分析，并使用超級計算機結(jié)合最新數(shù)據(jù)進行了數(shù)值模擬。結(jié)果證實：當(dāng)吸積盤的旋轉(zhuǎn)軸與黑洞的自旋軸存在夾角時，會因參考系“拖曳效應(yīng)”導(dǎo)致整個吸積盤的擺動，而噴流受吸積盤的影響也會產(chǎn)生擺動。這一現(xiàn)象符合愛因斯坦的廣義相對論預(yù)測的“如果黑洞處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，會導(dǎo)致參考系拖曳效應(yīng)”。

云南大學(xué)中國西南天文研究所副研究員林偉康表示，雖然自旋是黑洞理論的基礎(chǔ)假設(shè)，但此前并沒有直接觀測證實。此次研究成功地將M87黑洞噴流動力學(xué)，與該星系中心超大質(zhì)量黑洞狀態(tài)聯(lián)系起來，在支撐基礎(chǔ)理論的同時，為進一步揭開黑洞的神秘面紗提供了關(guān)鍵要素。

甚長基線干涉測量（VLBI）技術(shù)，能將位于全球不同地點的多個射電望遠鏡聯(lián)合起來，達到一架超大望遠鏡的觀測效果。在這項最新研究中，使用了包括東亞VLBI網(wǎng)在內(nèi)的多個國際觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)，全球共有超過20個射電望遠鏡為此項研究做出了貢獻，其中包括中國科學(xué)院上海天文臺65米天馬望遠鏡和新疆天文臺南山26米射電望遠鏡。

自2017年起，中國的這兩臺射電望遠鏡持續(xù)參與東亞VLBI網(wǎng)觀測，分別在提高觀測靈敏度和角分辨率上發(fā)揮了重要作用。據(jù)中國科學(xué)院上海天文臺臺長沈志強介紹，該臺已于近期在西藏日喀則開工建設(shè)一臺40米射電望遠鏡，建成后將進一步提升東亞VLBI網(wǎng)的高分辨率毫米波成像觀測能力。

中國科學(xué)院國家天文臺研究員、“中國天眼”首席科學(xué)家、之江實驗室計算天文首席科學(xué)家李菂認為，中國科學(xué)家牽頭取得的這項研究成果，離不開射電天文學(xué)與計算科學(xué)的深度融合。隨著數(shù)據(jù)不斷積累，之江實驗室正在將人工智能、云計算等技術(shù)引入到天文領(lǐng)域，多學(xué)科攜手共同探索宇宙奧秘。（張建松 董雪）