“大陀螺”異動掀開黑洞“神秘衣襟”

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6年前，一個“令人疑惑”天文現象激起崔玉竹的好奇心。

她用近1年時間核查觀測數據和分析過程，此后又和全球45個機構的科研人員合作，通過分析多個甚長基線干涉測量（VLBI）網2000年至2022年的觀測數據，發現M87星系中心黑洞噴流（以下簡稱M87噴流）呈現周期性擺動。其擺動周期約為11年，振幅約10度。

這項9月27日發表于《自然》的研究將M87噴流的動力學與該星系中心超大質量黑洞狀態聯系起來，為M87黑洞自旋的存在提供了觀測證據。該論文得到兩位審稿人的高度評價并推薦發表，雜志編輯也期望該工作盡早上線，甚至非常罕見地親自“出手”為論文摘要潤色。

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傾斜吸積盤模型示意。受訪者供圖

從疑惑、好奇到開心

2017年，博士研究生崔玉竹在分析東亞甚長基線干涉測量（VLBI）網數據時，發現M87噴流的指向和以往熟知的角度有些偏離。

“M87噴流是非常有名的黑洞噴流，其噴射角度為288度是大家耳熟能詳的性質。”該論文第一作者兼通訊作者、之江實驗室博士后崔玉竹告訴《中國科學報》，“但當年的觀測數據顯示，其噴流指向和以往數據有約5度的偏離，這是比較明顯的偏差。”

是觀測望遠鏡問題，數據處理錯誤，還是另有“隱情”？

這讓崔玉竹十分困惑。思索了一陣子，她又泛起了好奇心。

“如果不是數據處理錯誤，其背后肯定存在某種結構變化，那就會涉及非常有意思物理性質。”崔玉竹越想越興奮，因為黑洞是檢驗愛因斯坦廣義相對論最簡單、最直接的天體，人們需要充分觀測黑洞及周圍的活動來了解其更多物理性質，發現由黑洞導致周圍環境或噴流出現某種結構變化，對進一步了解黑洞來說十分重要。

隨即，崔玉竹檢查了另外幾臺望遠鏡的觀測數據，發現數據處理并無問題。此后近1年時間里，她又用其他國際望遠鏡觀測陣的數據，驗證了2017年的M87噴流指向確實存在偏轉。

“接下來目標就明確了，因為發現有這樣的變化，我們就想看看這種偏離是周期性變化還是偶然現象，其中是否存在某些規律。”崔玉竹說。

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2013年至2018年每兩年合并后的M87噴流結構。受訪者供圖

“大陀螺”異動之謎

活躍星系中心的超大質量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，同時也將物質高速“吐出”。然而，超大質量黑洞、吸積盤和噴流之間的能量傳輸機制是怎樣的？這是困擾物理學家和天文學家一個多世紀的難題。

目前，科學家廣泛接受的理論認為，黑洞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態，會如導體切割磁力線一樣產生電場，從而加速黑洞周圍的電離體，并使部分物質攜帶巨大能量被噴射出去。其中，超大質量黑洞的自旋是該理論成立的關鍵，但黑洞自旋參數極難測量，甚至黑洞是否處于旋轉狀態至今尚無直接觀測證據。

M87星系是一個距離地球5500萬光年的近鄰星系，其中心有個質量比太陽大65億倍的黑洞。天文學家在1918年首次觀測到M87中的噴流，這也是人類觀測到的首個宇宙噴流，這些特征讓M87星系成為研究黑洞與噴流之間關系的最佳目標。

經過大量的分析，科學家認為改變黑洞噴流方向的力量，可能就隱藏在吸積盤的動力學性質中：具有一定角動量的物質會繞著黑洞運動并形成吸積盤，它們受到黑洞引力作用會不斷靠近黑洞直到被“吸食”進黑洞。黑洞的超強引力會對周圍時空產生巨大影響，導致附近的物體沿著黑洞旋轉方向被拖曳，即愛因斯坦廣義相對論預測的“參考系拖曳效應”。該效應進而引發吸積盤和噴流周期性的進動（自旋體受外力作用，其自旋軸繞某一中心旋轉的現象）。

崔玉竹解釋說，M87黑洞的吸積盤和噴流大體上呈垂直狀態，如果將其看作一個“大陀螺”，吸積盤就像陀螺體，而長達5000光年的噴流是其旋轉軸。不同的是，陀螺運動的支點在其下方，而吸積盤的運動中心是黑洞。

基于觀測結果分析和超級計算機模擬，研究團隊證實了當吸積盤旋轉軸與黑洞的自旋軸存在夾角時，會因參考系拖曳效應導致整個吸積盤的進動，而噴流受吸積盤的影響也會影響進動。

該研究揭示的噴流進動規律驗證了廣義相對論預測的“參考系拖曳效應”，為M87中心黑洞存在自旋提供有力證據，帶來對超大質量黑洞性質的新認知。

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東亞VLBI合作組成員照。受訪者供圖

探索的旅程在繼續

由于黑洞自旋軸與吸積盤角動量間的夾角較小，進動周期又超過10年，因此要積累超兩個周期的高分辨率數據，才能對M87結構進行仔細分析。超長的觀測周期和巨量的數據信息讓該項研究成為國際合作破解宇宙奧秘的典范。

該工作使用了包括東亞甚長基線干涉測量網、美國的甚長基線陣列、韓國KVN和日本VERA聯合陣列（KaVA）、從東亞到意大利/俄羅斯聯合EATING觀測網在內的170個國際觀測網絡數據，全球超過20個射電望遠鏡為這項研究做出了貢獻。

在項目進行中，研究團隊和國內多家單位深度合作，中國科學院上海天文臺65米天馬望遠鏡和新疆天文臺南山26米射電望遠鏡自2017年起持續參與東亞VLBI觀測陣觀測，在提高觀測靈敏度和角分辨率上發揮了重要作用。

“很開心也很幸運有這一重大發現。”崔玉竹說，“這也和我們天馬望遠鏡靈敏度提高，新疆南山望遠鏡角分辨率提高關系密切。這些觀測技術的進步讓我們能清晰看到更多結構和較低的輻射量。”

中國科學院上海天文臺研究員沈志強認為，最近的科學發現已經充分展現毫米波VLBI技術在研究超大質量黑洞和探索宇宙奧秘中的優勢。“基于這項工作，預測還有更多的星系中心黑洞具有類似的傾斜吸積盤結構，如何探測到更多的源還需要長期觀測和詳細分析”。

“隨著現代天文學，特別是射電天文的發展，我們通過射電望遠鏡捕捉到巨量且豐富的宇宙信號，從而產生海量數據。進一步深度融合發展的計算科學前沿和射電天文探索，將揭示包括黑洞在內的宇宙神秘現象本質。”中國科學院國家天文臺研究員、之江實驗室計算天文首席科學家李菂點評說。

“黑洞是否自旋一直是科學家關注的核心問題。”日本國立天文臺的Kazuhiro Hada博士說，“該成果從觀測上肯定了以往的預期，在這一里程碑后，人們探索的旅程仍在繼續，讓我們一步步揭開更多宇宙的奧秘。”

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06479-6