还记得首张黑洞照片的“主角”吗？中国科学家领衔发现它在自旋的有力证据

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这是一个和爱因斯坦有关的故事，也是一次从好奇心出发的探索之旅。

之江实验室的博士后研究人员崔玉竹，6年前第一次接触M87星系中心黑洞的观测数据，就萌发了一个疑问：100多年来，在人们的印象中，它的喷流方向是固定的，但为何喷流的方向发生了些微变化？这究竟是一个误差还是一个物理性质？

爱因斯坦在广义相对论中曾预言，如果黑洞处于旋转状态，会对其周围的时空结构造成拖曳。“拖曳效应”之下，这就是有可能的。

但黑洞自旋参数极难测量，甚至黑洞是否处于旋转状态一直以来并没有直接的观测证据，引力波的发现也只是提供了一个间接证据。

经过几年的不懈努力，由崔玉竹领衔来自全球45个研究机构的科研人员组成的国际科研团队，发现M87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。这为M87黑洞自旋的存在第一次提供了最为有力的观测证据。该研究论文于北京时间9月27日发表在国际学术期刊《自然》上。

中国科学院上海天文台65米天马望远镜为这项研究发挥了不可替代的重要作用。

【“这项成果让人感动”】

M87星系堪称“明星”星系。它是世界首张黑洞照片的“主角”，而早在1918年，天文学家首次在光学波段观测到M87星系中的喷流，这是人类观测到的第一个宇宙喷流。

在天文学家看来，M87星系是一个距离地球5500万光年的近邻星系，其中心黑洞质量为太阳的65亿倍，这些特征使得M87星系成为研究黑洞与喷流之间关系的最佳观测目标。

“我们可以利用喷流来研究黑洞自旋。”论文的第一作者和通讯作者崔玉竹说。科研团队分析了包括东亚甚长基线干涉测量（VLBI）网在内的多个国际观测网络从2000年至2022年的观测数据，成功地捕捉到M87喷流的周期性摆动。

科研团队捕捉到M87喷流的摆动

宇宙中究竟是什么力量在规律地改变能量巨大的黑洞喷流方向？研究团队推断，吸积盘极有可能与黑洞自旋轴存在一定夹角。如果把M87黑洞的自旋方向视为垂直于地面，那么吸积盘就如同与地面形成一定角度的陀螺螺体，晃动的陀螺轴心则是一道长达5000光年的喷流。不同的是，陀螺运动的支点在它的下方，而吸积盘的运动中心是其中心的黑洞。

倾斜吸积盘模型示意图

“这项成果让人感动。”云南大学中国西南天文研究所副研究员林伟康说，这让人想到100多年前，天文学家测量出水星轨道的摆动比当时的理论计算结果要快一些，大约每100年快43角秒（1度=3600角秒）。“当时，解释水星轨道的摆动是广义相对论的第一次实际应用。如今，喷流的摆动也成为了广义相对论的信使，直接告诉了我们M87黑洞确实在自旋。这一次，所观测的黑洞比水星远了一万亿倍，喷流以一端为中心摆动了10度，划过的弧长是0.3毫角秒，比43角秒还小一万倍。”

【“定海神针”和“接力棒”】

为什么能看到这么小尺度的变化？全球超过20个射电望远镜为这项研究做出了贡献。

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，分别在提高观测灵敏度和空间分辨率上发挥了不可替代的重要作用。

“天马望远镜的有效接收面积大于其他毫米波VLBI台站的总和，好比是‘定海神针’，将东亚VLBI网成像质量提高了50%。”上海天文台江悟副研究员说。

新闻发布会设在上海天文台65米天马望远镜站址现场。黄海华 摄

新疆天文台崔朗研究员介绍：“南山26米射电望远镜像是一个‘接力棒’，在东亚望远镜和欧洲望远镜之间发挥接力观测的作用，并将角分辨率提升约一倍左右。这是什么概念？相当于一个篮球放在月球上，我们在地球也能清晰可见。”

“这个新发现非常有意义。”康奈尔大学教授、上海交通大学李政道研究所李政道讲席教授（访问）赖东说，多年来，人们一直在努力测试“拖曳效应”。比如，2004年到2008年，美国宇航局和斯坦福大学发射了“重力探测器B”，专门探测这种效应，虽然得到一些检测结果，但准确率太低。此次研究最让他印象深刻的是，研究团队发现喷流方向发生了10度的变化，将这种方向的改变归因于“拖曳效应”是非常合理的。

“M87黑洞的自旋到底有多快？还有其他星系存在喷流的摆动吗？很多谜团需要更多的长期观测和更加详细的分析。”上海天文台沈志强研究员说，毫米波VLBI技术在研究超大质量黑洞和探索宇宙奥秘中有着独特优势。近期开工建设的上海天文台日喀则40米射电望远镜，建成后也将提升东亚VLBI网高分辨率毫米波成像观测能力。”

“宇宙从来不是寂静无声的，我们通过射电望远镜捕捉到了巨量且丰富的宇宙信号。射电望远镜和手机接收信号的基本原理一致，深度融合高速发展的计算科学前沿和射电天文探索将能揭示包括黑洞在内的宇宙神秘现象的本质。”中国科学院国家天文台研究员、“中国天眼”（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首席科学家李菂说。

视频为吸积盘与喷流摆动的三维示意动画。除署名图片外，其他图片和视频由采访对象提供

来源：作者：黄海华