人類首次“看見”的那個(gè)黑洞 被證明確實(shí)在自旋！

在中國(guó)科學(xué)家主導(dǎo)、全球45個(gè)科研機(jī)構(gòu)組成的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)共同努力下，人類首次“看見”的那個(gè)黑洞M87，被證明確實(shí)在自旋，這一現(xiàn)象符合愛因斯坦廣義相對(duì)論的相關(guān)預(yù)測(cè)。

9月27日，相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)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(gè)黑洞，位于室女座一個(gè)巨橢圓星系M87的中心，距離地球5500萬(wàn)光年，質(zhì)量約為太陽(yáng)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(duì)M87黑洞的觀測(cè)研究。

這項(xiàng)最新研究成果的論文第一作者兼通訊作者、之江實(shí)驗(yàn)室博士后崔玉竹介紹，利用甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)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(cè)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(lái)全球多個(gè)VLBI網(wǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，最終發(fā)現(xiàn)M87黑洞噴流呈現(xiàn)周期性擺動(dòng)，擺動(dòng)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(cè)證據(jù)。

活動(dòng)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(jìn)”大量物質(zhì)，同時(shí)又將物質(zhì)以接近光速的高速“吐出來(lái)”，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(dòng)呢？

上圖：2013年至2018年期間每?jī)赡旰喜⒑蟮腗87噴流結(jié)構(gòu)，觀測(cè)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(tuán)隊(duì)基于觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了大量理論調(diào)研和細(xì)致分析，并使用超級(jí)計(jì)算機(jī)結(jié)合最新數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果證實(shí)：當(dāng)吸積盤的旋轉(zhuǎn)軸與黑洞的自旋軸存在夾角時(shí)，會(huì)因參考系“拖曳效應(yīng)”導(dǎo)致整個(gè)吸積盤的擺動(dòng)，而噴流受吸積盤的影響也會(huì)產(chǎn)生擺動(dòng)。這一現(xiàn)象符合愛因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)的“如果黑洞處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致參考系拖曳效應(yīng)”。

云南大學(xué)中國(guó)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(cè)證實(shí)。此次研究成功地將M87黑洞噴流動(dòng)力學(xué)，與該星系中心超大質(zhì)量黑洞狀態(tài)聯(lián)系起來(lái)，在支撐基礎(chǔ)理論的同時(shí)，為進(jìn)一步揭開黑洞的神秘面紗提供了關(guān)鍵要素。

甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）技術(shù)，能將位于全球不同地點(diǎn)的多個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合起來(lái)，達(dá)到一架超大望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)效果。在這項(xiàng)最新研究中，使用了包括東亞VLBI網(wǎng)在內(nèi)的多個(gè)國(guó)際觀測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)，全球共有超過20個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡為此項(xiàng)研究做出了貢獻(xiàn)，其中包括中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)65米天馬望遠(yuǎn)鏡和新疆天文臺(tái)南山26米射電望遠(yuǎn)鏡。

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

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、“中國(guó)天眼”首席科學(xué)家、之江實(shí)驗(yàn)室計(jì)算天文首席科學(xué)家李菂認(rèn)為，中國(guó)科學(xué)家牽頭取得的這項(xiàng)研究成果，離不開射電天文學(xué)與計(jì)算科學(xué)的深度融合。隨著數(shù)據(jù)不斷積累，之江實(shí)驗(yàn)室正在將人工智能、云計(jì)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）