图源：央视科教，侵删
近日，“国际科研团队联合观测到M87星系中心黑洞喷流的周期性摆动”成果入选中央广播电视总台发布的2023年度“国际十大科技新闻”。
本工作的第一作者兼通讯作者为李政道研究所博士后崔玉竹（现之江实验室博士后）。在李政道研究所博士后林伟康（现云南大学中国西南天文研究所副研究员）和李政道学者Yosuke Mizuno（水野陽介）的深度参与以及国内外诸多研究人员共同协作下，相关成果于2023年9月27日发表在《自然》（Nature）上。论文撰写期间作者团队还与李政道研究所其他科研人员，如：王巍、严智明、王振、顾方圆、Tsutomu Yanagida等进行了深入的讨论，论文中也对他们致以由衷感谢。
相关成果介绍如下：
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（Very Long Baseline Interferometry，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观测证据（详见图1）。这项研究于北京时间2023年9月27日发表于《自然》（Nature）。（可点击此处跳转查看）
图1. 倾斜吸积盘模型的示意图。假设黑洞的自旋轴竖直向上，喷流的方向几乎垂直于吸积盘的盘面，黑洞自旋轴和吸积盘旋转轴之间的存在一定夹角，即为倾斜的吸积盘模型。黑洞和吸积盘的角动量方向存在的夹角会触发吸积盘和喷流的进动。
（来源：Yuzhu Cui et al. 2023、Intouchable Lab@Openverse和之江实验室）
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。
为了研究这个具有挑战性的问题，科研人员针对M87星系中心超大质量黑洞及其喷流进行了研究。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（详见图2）。
图2. 上图：2013年至2018年期间每两年合并后的M87喷流结构（观测频段为43 GHz）。对应的年份显示在左上角。白色箭头指示了每个子图中的喷流位置角度。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。绿色点和蓝色点分别来自22 GHz和43 GHz的观测频段的数据。红线表示根据进动模型的最佳拟合结果。（来源：Yuzhu Cui et al. 2023）
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？经过大量的分析，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。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。
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。
视频来源：李政道研究所TDLI公众号（点此跳转查看）
M87黑洞吸积盘进动3D示意视频
（来源：Yuzhu Cui et al. 2023、Intouchable
Lab@Openverse和之江实验室）
崔玉竹表示：“我们很开心也很幸运能有这一重大发现。由于黑洞自旋轴与吸积盘角动量之间的夹角较小、进动周期又超过十年，积累超两个周期的高分辨率数据，并对M87结构的仔细分析，都是获得这一成果的必要条件。”
林伟康补充说：“继使用事件视界望远镜拍摄到M87星系中的黑洞照片后，这个黑洞是否在自旋就一直是科学家们关注的最核心问题。现在，我们的成果从观测上进一步肯定了以往的预期，这个饕餮般的黑洞确实在自旋。”
图3.东亚VLBI网络中参与观测此论文数据的望远镜分布
Yuzhu Cui et al. 2023、Intouchable
Lab@Openverse和之江实验室
这项工作使用了包括东亚VLBI网（EAVN）、美国的甚长基线阵列（VLBA）、韩国KVN和日本VERA联合阵列（KaVA）以及东亚到意大利/俄罗斯联合的EATING观测网在内的多个国际观测网络的170个观测数据，全球超过20个射电望远镜为这项研究做出了贡献。
在项目进行过程中，国内的多家单位深度合作，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EAVN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。林伟康，Yosuke Mizuno，中国人民解放军空军预警学院俞锦涛博士，中国科学院上海天文台江悟副研究员和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中做出了重要贡献。
Yosuke Mizuno说：“虽然本次研究成果揭示了超大质量黑洞的更多信息和性质，但天文学家们还要面对更多艰巨的挑战，吸积盘的精细的结构和M87超大质量黑洞的自旋精确值仍然亟待进一步研究。”基于这项工作，该研究团队预测还有更多的星系中心黑洞具有类似的倾斜的吸积盘结构，但如何探测到更多具有倾斜盘的源也面临更大的挑战。还有很多谜团需要更多的长期观测和更加详细的分析。
“一个转动的大质量物体，会带动周边时空一起转动。这就是爱因斯坦广义相对论中的拖曳效应。”上海交大李政道研究所李政道讲席教授、康奈尔大学教授赖东说，有科学家提出用卫星来测量地球的拖曳效应，但结果还存在争议，而黑洞成为验证该理论的最好样本之一。
这项开创性的研究体现了国际合作在解开宇宙奥秘时的重要性。在我们为这一里程碑庆祝之后，探索这些神秘的超大质量黑洞的旅程仍在继续，让我们一步步地揭开宇宙的更多奥秘。