天文学家发现M87星系中黑洞喷流周期性进动

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。这一成果成功地将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（图1）。9月27日，相关研究成果发表在《自然》（Nature）上。

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尚不清楚，这是困扰物理学家和天文学家的难题。目前，科学家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。而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开展了研究。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。1918年天文学家首次在光学波段观测到M87中的喷流，这是人类观测到的第一个宇宙喷流。这些特征使M87星系成为天文学家研究黑洞与喷流之间关系的最佳目标源。天文学家可以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，捕捉到M87中喷流的周期性进动（图2）。

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？研究经过大量分析推断，问题的答案可能隐藏于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，且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，可能与黑洞自旋轴存在一定夹角。而黑洞的超强引力会对周围的时空产生重大影响，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。

该研究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，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，并带来对超大质量黑洞性质的新认知。

之江实验室博士后崔玉竹表示：“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。”

日本国立天文台博士Kazuhiro Hada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一直是科学家关注的核心问题。现在，我们的成果在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。”

这一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个射电望远镜为这一研究做出了贡献。

EAVN有关活动星系核的科学工作组协调员、日本工学院大学博士Motoki Kino表示：“这是一个令人兴奋的科学里程碑，多亏了来自世界各地45个机构的研究人员多年的共同观测，我们最终揭示了这一科学奥秘。我们的观测数据与进动模型的预测契合，推动了我们对黑洞和喷流系统的理解。”

中国科学院上海天文台副研究员江悟表示：“这是一个长期的国际合作项目，国内射电望远镜在这一合作中做出了重要贡献。挖掘的这批EAVN观测数据，最初来自天马望远镜参加的事件视界望远镜拍摄M87黑洞照片时的多波段协同观测。借助天马望远镜在长毫米波段巨大的灵敏度优势，直接促成了EAVN开启正式科学观测，其中就包括此次从2017年持续至今的、在22GHz和43GHz对M87喷流进动的高精度监测。”

虽然本次研究揭示了超大质量黑洞的更多信息和性质，但是天文学家仍要面对更多艰巨的挑战，如吸积盘的精细的结构和M87超大质量黑洞的自旋精确值亟待进一步研究。“基于这项工作，该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面临更大的挑战。有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表示，“最近这些年来的科学发现，已充分展现了毫米波VLBI技术在研究超大质量黑洞和探索宇宙奥秘中的独特优势。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，将进一步提升EAVN的高分辨率毫米波成像观测能力。特别地，它所在的青藏高原是全球范围内最适合开展（亚）毫米波观测的优良站址区域之一，我们希望藉此推动发展中国亚毫米波天文观测。”

论文链接

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）

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）