我国科学家发现 M87 星系黑洞喷流周期性摆动

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我国科学家发现 M87 星系黑洞喷流周期性摆动

作者：崔玉竹等 来源：《自然》 发布时间：2023/9/28 11:21:44

6 年前，一个“令人疑惑”天文现象激起崔玉竹的好奇心。

她用近 1 年时间核查观测数据和分析过程，此后又和全球 45 个机构的科研人员合作，通过分析多个甚长基线干涉测量（VLBI）网 2000 年至 2022 年的观测数据，发现 M87 星系中心黑洞喷流（以下简称 M87 喷流）呈现周期性摆动。其摆动周期约为 11 年，振幅约 10 度。

这项 9 月 27 日发表于《自然》的研究将 M87 喷流的动力学与该星系中心超大质量黑洞状态联系起来，为 M87 黑洞自旋的存在提供了观测证据。该论文得到两位审稿人的高度评价并推荐发表，杂志编辑也期望该工作尽早上线，甚至非常罕见地亲自“出手”为论文摘要润色。


倾斜吸积盘模型示意。受访者供图

从疑惑、好奇到开心

2017 年，博士研究生崔玉竹在分析东亚甚长基线干涉测量（VLBI）网数据时，发现 M87 喷流的指向和以往熟知的角度有些偏离。

“M87 喷流是非常有名的黑洞喷流，其喷射角度为 288 度是大家耳熟能详的性质。”该论文第一作者兼通讯作者、之江实验室博士后崔玉竹告诉《中国科学报》，“但当年的观测数据显示，其喷流指向和以往数据有约 5 度的偏离，这是比较明显的偏差。”

是观测望远镜问题，数据处理错误，还是另有“隐情”？

这让崔玉竹十分困惑。思索了一阵子，她又泛起了好奇心。

“如果不是数据处理错误，其背后肯定存在某种结构变化，那就会涉及非常有意思物理性质。”崔玉竹越想越兴奋，因为黑洞是检验爱因斯坦广义相对论最简单、最直接的天体，人们需要充分观测黑洞及周围的活动来了解其更多物理性质，发现由黑洞导致周围环境或喷流出现某种结构变化，对进一步了解黑洞来说十分重要。

随即，崔玉竹检查了另外几台望远镜的观测数据，发现数据处理并无问题。此后近 1 年时间里，她又用其他国际望远镜观测阵的数据，验证了 2017 年的 M87 喷流指向确实存在偏转。

“接下来目标就明确了，因为发现有这样的变化，我们就想看看这种偏离是周期性变化还是偶然现象，其中是否存在某些规律。”崔玉竹说。


2013 年至 2018 年每两年合并后的 M87 喷流结构。受访者供图

“大陀螺”异动之谜

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，同时也将物质高速“吐出”。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？这是困扰物理学家和天文学家一个多世纪的难题。

目前，科学家广泛接受的理论认为，黑洞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样产生电场，从而加速黑洞周围的电离体，并使部分物质携带巨大能量被喷射出去。其中，超大质量黑洞的自旋是该理论成立的关键，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无直接观测证据。

M87 星系是一个距离地球 5500 万光年的近邻星系，其中心有个质量比太阳大 65 亿倍的黑洞。天文学家在 1918 年首次观测到 M87 中的喷流，这也是人类观测到的首个宇宙喷流，这些特征让 M87 星系成为研究黑洞与喷流之间关系的最佳目标。

经过大量的分析，科学家认为改变黑洞喷流方向的力量，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运动并形成吸积盘，它们受到黑洞引力作用会不断靠近黑洞直到被“吸食”进黑洞。黑洞的超强引力会对周围时空产生巨大影响，导致附近的物体沿着黑洞旋转方向被拖曳，即爱因斯坦广义相对论预测的“参考系拖曳效应”。该效应进而引发吸积盘和喷流周期性的进动（自旋体受外力作用，其自旋轴绕某一中心旋转的现象）。

崔玉竹解释说，M87 黑洞的吸积盘和喷流大体上呈垂直状态，如果将其看作一个“大陀螺”，吸积盘就像陀螺体，而长达 5000 光年的喷流是其旋转轴。不同的是，陀螺运动的支点在其下方，而吸积盘的运动中心是黑洞。

基于观测结果分析和超级计算机模拟，研究团队证实了当吸积盘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会影响进动。

该研究揭示的喷流进动规律验证了广义相对论预测的“参考系拖曳效应”，为 M87 中心黑洞存在自旋提供有力证据，带来对超大质量黑洞性质的新认知。


东亚 VLBI 合作组成员照。受访者供图

探索的旅程在继续

由于黑洞自旋轴与吸积盘角动量间的夹角较小，进动周期又超过 10 年，因此要积累超两个周期的高分辨率数据，才能对 M87 结构进行仔细分析。超长的观测周期和巨量的数据信息让该项研究成为国际合作破解宇宙奥秘的典范。

该工作使用了包括东亚甚长基线干涉测量网、美国的甚长基线阵列、韩国 KVN 和日本 VERA 联合阵列（KaVA）、从东亚到意大利/俄罗斯联合 EATING 观测网在内的 170 个国际观测网络数据，全球超过 20 个射电望远镜为这项研究做出了贡献。

在项目进行中，研究团队和国内多家单位深度合作，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 年起持续参与东亚 VLBI 观测阵观测，在提高观测灵敏度和角分辨率上发挥了重要作用。

“很开心也很幸运有这一重大发现。”崔玉竹说，“这也和我们天马望远镜灵敏度提高，新疆南山望远镜角分辨率提高关系密切。这些观测技术的进步让我们能清晰看到更多结构和较低的辐射量。”

中国科学院上海天文台研究员沈志强认为，最近的科学发现已经充分展现毫米波 VLBI 技术在研究超大质量黑洞和探索宇宙奥秘中的优势。“基于这项工作，预测还有更多的星系中心黑洞具有类似的倾斜吸积盘结构，如何探测到更多的源还需要长期观测和详细分析”。

“随着现代天文学，特别是射电天文的发展，我们通过射电望远镜捕捉到巨量且丰富的宇宙信号，从而产生海量数据。进一步深度融合发展的计算科学前沿和射电天文探索，将揭示包括黑洞在内的宇宙神秘现象本质。”中国科学院国家天文台研究员、之江实验室计算天文首席科学家李菂点评说。

“黑洞是否自旋一直是科学家关注的核心问题。”日本国立天文台的 Kazuhiro Hada 博士说，“该成果从观测上肯定了以往的预期，在这一里程碑后，人们探索的旅程仍在继续，让我们一步步揭开更多宇宙的奥秘。”

（来源：中国科学报 张双虎）

相关论文信息： https://doi.org/10.1038/s41586-023-06479-6