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黑洞自旋终于找到更为有力的观测证据！
北京时间9月27日，国际顶刊《自然》（Nature）刊发一篇由中国科学家领衔的黑洞研究成果论文，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观测证据。这是继2019年首张黑洞“甜甜圈”照片和今年4月黑洞全景照片发布后，黑洞研究领域又一重大成果。
倾斜吸积盘模型的示意图 图片来源：央视新闻
据央视新闻9月27日消息，近日，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。这一成果在北京时间9月27日在国际学术期刊《自然》发表。
据新华社，这项最新研究成果的论文第一作者兼通讯作者、之江实验室博士后崔玉竹介绍，利用甚长基线干涉测量（VLBI）技术，科研人员在解析M87黑洞喷流结构过程中，惊奇地发现东亚VLBI网在2017年3月观测到的M87黑洞喷流指向，与以往有所不同。紧盯这一蛛丝马迹，通过深入分析近23年来全球多个VLBI网的观测数据，最终发现M87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。这首次为黑洞自旋理论提供了最有力的观测证据。
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。
上图：2013年至2018年期间每两年合并后的M87喷流结构下图：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
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。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。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。
黑洞捕获气体的物理过程被称为“吸积”，这种落向黑洞的气体则被称为吸积流，其处在等离子体状态。（图片来源：央视新闻）
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。如果把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，而晃动的陀螺轴则是一道长达5000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。
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。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。
图片来源：央视新闻 （图文无关）
云南大学中国西南天文研究所副研究员林伟康表示，虽然自旋是黑洞理论的基础假设，但此前并没有直接观测证实。此次研究成功地将M87黑洞喷流动力学，与该星系中心超大质量黑洞状态联系起来，在支撑基础理论的同时，为进一步揭开黑洞的神秘面纱提供了关键要素。
甚长基线干涉测量（VLBI）技术，能将位于全球不同地点的多个射电望远镜联合起来，达到一架超大望远镜的观测效果。在这项最新研究中，使用了包括东亚VLBI网在内的多个国际观测网数据，全球共有超过20个射电望远镜为此项研究做出了贡献，其中包括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，我国的这两台射电望远镜持续参与东亚VLBI网观测，分别在提高观测灵敏度和角分辨率上发挥了重要作用。据中国科学院上海天文台台长沈志强介绍，该台已于近期在西藏日喀则开工建设一台40米射电望远镜，建成后将进一步提升东亚VLBI网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认为，我国科学家牵头取得的这项研究成果买股票如何加杠杆，离不开射电天文学与计算科学的深度融合。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领域，多学科携手共同探索宇宙奥秘。
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