中新网北京9月27日电(记者孙自法郑莹莹)继人类首次拍摄到黑洞照片，实现黑洞阴影和强大喷流成像同框“全景”后，距离地球5500万光年、质量为太阳65亿倍的室女座星系团中的超大质量星系梅西耶(Messier)87(M87)近日又有了一项重要发现——黑洞的喷流呈周期性波动。
本研究成果的倾斜吸积盘模型示意图。之江实验室博士后崔玉珠供图
这一天文新发现是由来自全球45个研究机构的研究人员组成的国际研究团队完成的，其中包括中国的5个研究机构。通过分析2000-2022年多个VLBI网络的观测数据，结果符合爱因斯坦的广义相对论。会导致参照系拖曳效应”，成功地将M87星系中心黑洞的喷流动力学与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。
北京时间9月27日夜，M87黑洞在线发表在国际知名学术期刊《自然》上。
解决困扰科学家一个多世纪的问题
这项研究是由之江实验室、云南大学中国西南天文研究所、上海交通大学李政道研究所、中国科学院上海天文台和中国科学院新疆天文台领导的国际科研团队开展的。根据该团队的说法，活动星系中心的超大质量黑洞是宇宙中最具破坏性和最神秘的天体之一。它们的引力巨大，通过吸积盘“吃掉”大量物质，同时以接近光速的高速将物质“吐”出数千光年之外。然而，超大质量黑洞、吸积盘和喷流之间的能量传递机制是什么？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，科学家普遍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，黑洞处于旋转状态，就会产生类似导体切割磁力线的电场，从而加速黑洞周围的电离体，最终一些物质会被喷射出巨大的能量。其中，超大质量黑洞的自旋是该理论的关键因素，但黑洞的自旋参数极难测量，甚至没有直接的观测证据表明黑洞是否处于旋转状态。
为此，国际研究小组对M87星系中心的超大质量黑洞及其喷流进行了研究。此前，天文学家于1918年首次在光学波段观测到M87星系中的喷流，这也是人类首次观测到的宇宙喷流。因此，M87星系成为天文学家研究黑洞与喷流关系的最佳目标源，它可以利用超高角分辨率的VLBI技术分析非常接近黑洞的喷流结构。在这项研究中，通过分析最近23年的VLBI观测数据，研究人员成功捕捉到了M87黑洞中喷流的周期性振荡。
观察肯定是饕餮黑洞确实在旋转。
宇宙中有什么力量可以有规律地改变一个巨大黑洞的喷流方向？经过大量分析，国际研究团队得出结论，答案可能隐藏在吸积盘的动力学性质中:具有一定角动量的物质会围绕黑洞运行，形成吸积盘，它们会靠黑洞的引力不断向黑洞靠近，直到被不可逆地“吸入”黑洞。
但是吸积盘的角动量会受到很多随机因素的影响，可能与黑洞的自旋轴存在一定的角度。但是黑洞的超引力会对周围的时间空产生很大的影响，导致附近的物体沿着黑洞的旋转方向被拖拽，也就是爱因斯坦广义相对论预言的“参照系拖拽效应”，进而触发吸积盘和喷流的周期性振荡。
以上:2013-2018年M87喷流结构每两年合并一次(观测频段为43 GHz)；下图:基于从2000年到2022年的一年中合并的图像的最佳拟合结果。之江实验室博士后崔玉珠供图
研究员科普说，如果把M87黑洞的自旋方向看成垂直于地面，那么吸积盘就像一个与地面成一定角度的陀螺蜗牛，晃动的陀螺轴就是一个5000光年长的喷流。不同的是陀螺运动的支点在其下方，吸积盘运动的中心是其中心的黑洞。
基于观测结果，国际科研团队进行了大量细致的理论研究和分析，并利用一台超级计算机结合M87性质进行了最新的数值模拟。结果证实，当吸积盘的旋转轴与黑洞的自旋轴存在夹角时，由于参考系的拖曳效应，整个吸积盘将会摆动，喷流也会在吸积盘的影响下摆动。喷流振荡的探测可以为M87中心黑洞的自旋提供有力的观测证据，这将带来对超大质量黑洞性质的新认识。
该研究论文的第一作者、通讯记者、之江实验室博士后崔玉珠指出，由于黑洞的自旋轴与吸积盘角动量之间的夹角很小，摆动周期超过十年，因此需要积累两期以上的高分辨率数据，仔细分析M87的结构。
日本国家天文台的Kazuhiro Hada博士补充道，自从用视界望远镜(EHT)拍摄M87星系的黑洞照片以来，M87星系的黑洞是否在旋转一直是科学家们关注的核心问题。研究结果进一步证实了之前来自观测的预期，这个饕餮黑洞确实在旋转。
将揭示黑洞等宇宙中神秘现象的本质。
M87黑洞喷流观测的研究工作使用了多个国际观测网络的170个观测数据，包括东亚VLBI网络(EAVN)、美国甚长基线阵列(VLBA)、韩日VERA联合阵列(KaVA)和东亚对意/俄联合吃观测网络，全球20多台射电望远镜都有贡献。
参与本次研究的东亚VLBI网络(EAVN)分布图。之江实验室博士后崔玉珠供图
同时，在项目研究过程中，国内多家科研单位深度合作:中科院上海天文台65m天马望远镜和中科院新疆天文台第26南山射电望远镜从2017年开始持续参与东亚VLBI网络观测，分别在提高观测灵敏度和角分辨率方面发挥了重要作用。云南大学中国西南天文研究所林维康副研究员、上海交通大学李政道研究所水野彩香洋介副教授、中国人民 *** 空军事预警学院于金涛博士、中国科学院上海天文台吴江副研究员、中国科学院新疆天文台崔朗研究员等在数据分析处理和理论模型对比解释方面做出了重要贡献。
参与本研究的东亚至意大利/俄罗斯联合进食观察网络分布示意图。之江实验室博士后崔玉珠供图
基于这项研究工作，国际研究团队预测在具有类似倾斜吸积盘的星系中心将会有更多的黑洞，但如何探测更多具有倾斜盘的来源也面临着更大的挑战，仍有许多谜团需要更长期的观测和更细致的分析。中国科学院上海天文台研究员沈志强强调，近年来的科学发现充分显示了毫米波VLBI技术在研究超大质量黑洞和探索宇宙奥秘方面的独特优势。上海天文台最近在日喀则开工建设的40米射电望远镜将进一步增强东亚VLBI网络的高分辨率毫米波成像观测能力，特别是其所在的青藏高原是世界上(亚)毫米波观测的最佳场地之一。“我们希望推动中国亚毫米波天文观测的发展”。
中国科学院国家天文台研究员、五百米口径球面射电望远镜(FAST) (500米口径球面射电望远镜，FAST)首席科学家、之江实验室计算天文学首席科学家李勇指出，宇宙从来没有沉寂过。随着现代天文学特别是射电天文学的发展，通过射电望远镜可以捕捉到大量的宇宙信号。射电望远镜和手机接收信号的基本原理是一样的，都需要时域高速采样，从而产生海量数据。快速发展的计算科学前沿与射电天文学探索的进一步深度融合，将揭示宇宙中包括黑洞在内的神秘现象的本质。随着数据的不断积累，之江实验室正在将人工智能、云计算等技术引入天文研究，提高数据处理效率，拓展探索物理参数的空空间。
国际研究团队表示，这项突破性的研究显示了国际合作在解决宇宙奥秘方面的重要性。在我们庆祝这个里程碑之后，探索这些神秘的超大质量黑洞的旅程还在继续。让我们一步步揭开宇宙更多的奥秘。(完)
