天文學家發現M87星系中黑洞噴流周期性進動

來自全球45個研究機構的科研人員組成的國際科研團隊，通過分析多個甚長基線干涉測量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）網在2000年至2022年的觀測數據，發現M87星系中心黑洞噴流呈現周期性擺動，擺動周期約為11年，振幅約為10度。這一現象符合愛因斯坦的廣義相對論關于“如果黑洞處于旋轉狀態，會導致參考系拖曳效應”的預測。這一成果成功地將M87星系中心黑洞噴流的動力學與該星系中心超大質量黑洞的狀態聯系起來，為M87黑洞自旋的存在提供了觀測證據（圖1）。9月27日，相關研究成果發表在《自然》（Nature）上。

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，同時將物質以接近光速的高速“吐出”到數千光年以外。然而，超大質量黑洞、吸積盤和噴流之間的能量傳輸機制尚不清楚，這是困擾物理學家和天文學家的難題。目前，科學家廣泛接受的理論認為黑洞的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般產生電場，從而加速黑洞周圍的電離體，最終部分物質會攜帶巨大的能量被噴射出去。其中，超大質量黑洞的自旋是這一理論的關鍵因素。而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的觀測證據。

為了研究這個具有挑戰性的問題，科研人員針對M87星系中心超大質量黑洞及其噴流開展了研究。M87星系是一個距離地球5500萬光年的近鄰星系，其中心有一個質量比太陽大65億倍的黑洞。1918年天文學家首次在光學波段觀測到M87中的噴流，這是人類觀測到的第一個宇宙噴流。這些特征使M87星系成為天文學家研究黑洞與噴流之間關系的最佳目標源。天文學家可以利用具有超高角分辨率的VLBI技術解析出非常靠近黑洞的噴流結構。科研人員通過分析最近23年來的VLBI觀測數據，捕捉到M87中噴流的周期性進動（圖2）。

宇宙中到底有什么力量可以規律地改變這一能量巨大的噴流的方向？研究經過大量分析推斷，問題的答案可能隱藏于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作軌道運動并形成吸積盤，且受到黑洞的引力會不斷地靠近黑洞直到不可逆地被“吸食”到黑洞里。然而，吸積盤的角動量可受多種隨機因素影響，可能與黑洞自旋軸存在一定夾角。而黑洞的超強引力會對周圍的時空產生重大影響，導致附近的物體沿著黑洞的旋轉方向被拖曳，即愛因斯坦的廣義相對論預測的“參考系拖曳效應”，進而引發吸積盤和噴流周期性的進動。

該研究基于觀測結果進行了大量細致的理論調研和分析，并使用超級計算機進行了最新的結合了M87性質的數值模擬。數值模擬的結果證實，當吸積盤的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產生進動。探測到噴流的進動可為M87中心黑洞的自旋提供有力的觀測證據，并帶來對超大質量黑洞性質的新認知。

之江實驗室博士后崔玉竹表示：“我們很開心也很幸運能有這一重大發現。由于黑洞自旋軸與吸積盤角動量之間的夾角較小、進動周期又超過十年，積累超兩個周期的高分辨率數據，并對M87結構的仔細分析，都是獲得這一成果的必要條件。”

日本國立天文臺博士Kazuhiro Hada補充說：“繼使用事件視界望遠鏡拍攝到M87星系中的黑洞照片后，這個黑洞是否在自旋一直是科學家關注的核心問題。現在，我們的成果在觀測上進一步肯定了以往的預期，這個饕餮般的黑洞確實在自旋。”

這一工作使用了包括東亞VLBI網（EAVN）、美國的甚長基線陣列（VLBA）、韓國KVN和日本VERA聯合陣列（KaVA）以及東亞到意大利/俄羅斯聯合的EATING觀測網在內的多個國際觀測網絡的170個觀測數據。全球超過20個射電望遠鏡為這一研究做出了貢獻。

EAVN有關活動星系核的科學工作組協調員、日本工學院大學博士Motoki Kino表示：“這是一個令人興奮的科學里程碑，多虧了來自世界各地45個機構的研究人員多年的共同觀測，我們最終揭示了這一科學奧秘。我們的觀測數據與進動模型的預測契合，推動了我們對黑洞和噴流系統的理解。”

中國科學院上海天文臺副研究員江悟表示：“這是一個長期的國際合作項目，國內射電望遠鏡在這一合作中做出了重要貢獻。挖掘的這批EAVN觀測數據，最初來自天馬望遠鏡參加的事件視界望遠鏡拍攝M87黑洞照片時的多波段協同觀測。借助天馬望遠鏡在長毫米波段巨大的靈敏度優勢，直接促成了EAVN開啟正式科學觀測，其中就包括此次從2017年持續至今的、在22GHz和43GHz對M87噴流進動的高精度監測。”

雖然本次研究揭示了超大質量黑洞的更多信息和性質，但是天文學家仍要面對更多艱巨的挑戰，如吸積盤的精細的結構和M87超大質量黑洞的自旋精確值亟待進一步研究。“基于這項工作，該團隊預測還有更多的星系中心黑洞具有類似的傾斜的吸積盤結構，但如何探測到更多具有傾斜盤的源面臨更大的挑戰。有很多謎團需要更多的長期觀測和更加詳細的分析。”上海天文臺沈志強研究員表示，“最近這些年來的科學發現，已充分展現了毫米波VLBI技術在研究超大質量黑洞和探索宇宙奧秘中的獨特優勢。近期開工建設的上海天文臺日喀則40米射電望遠鏡建成后，將進一步提升EAVN的高分辨率毫米波成像觀測能力。特別地，它所在的青藏高原是全球范圍內最適合開展（亞）毫米波觀測的優良站址區域之一，我們希望藉此推動發展中國亞毫米波天文觀測。”

論文鏈接

圖1.?傾斜吸積盤模型的示意圖。假設黑洞的自旋軸豎直向上，噴流的方向幾乎垂直于吸積盤的盤面，黑洞自旋軸和吸積盤旋轉軸之間的存在一定夾角，即為傾斜的吸積盤模型。黑洞和吸積盤的角動量方向存在的夾角會觸發吸積盤和噴流的進動。（來源：Yuzhu Cui et al. 2023、Intouchable Lab@Openverse和之江實驗室）

圖2. 上圖：2013年至2018年期間每兩年合并后的M87噴流結構（觀測頻段為43 GHz）。對應的年份顯示在左上角。白色箭頭指示每個子圖中的噴流位置角度。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果。綠色點和藍色點分別來自22 GHz和43 GHz的觀測頻段的數據。紅線表示根據進動模型的最佳擬合結果。（來源：Yuzhu Cui et al. 2023）