符合廣義相對論的預測，M87黑洞最新研究成果登上Nature

9 月 27 日，《自然》（Nature）雜誌發布由 45 個機構組成的國際科研團隊的最新研究成果。透過分析 2000 年至 2022 年期間的觀測數據，發現 M87 星系中心黑洞噴流呈現週期性擺動，擺動週期約 11 年，振幅約 10 度。這現象符合愛因斯坦的廣義相對論關於 「如果黑洞處於旋轉狀態，會導致參考系拖曳效應」 的預測。這項研究成果為 M87 黑洞自旋的存在提供了有力觀測證據（圖 1）。之江實驗室博士後崔玉竹為論文第一作者兼通訊作者。

圖 1  傾斜吸積盤模型的示意圖。假設黑洞的自旋軸垂直向上，噴流的方向幾乎垂直於吸積盤的盤面，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。 （資料來源：Yuzhu Cui et al. 2023、Intouchable Lab@Openverse 和之江實驗室）

成功捕捉噴流週期性進動

#2019 年4 月10 日，全球多地天文學家同步公佈了首張黑洞照片。它位於距離地球 5,500 萬光年的近鄰星系 M87 星系中心，質量比太陽大 65 億倍。這樣的超大質量黑洞，是宇宙中最神秘、最具破壞性的天體之一。它們引力巨大，透過吸積盤 「吃進」 大量物質，同時也將物質以接近光速的高速 “吐出” 到數千光年以外，形成噴流。

「一束奇怪的直射線，從一片朦朧的光點中心發出」。 1918 年，天文學家首次觀測到 M87 的噴流，這也是人類觀測到的第一個宇宙噴流。超大質量黑洞、吸積盤和噴流之間的能量傳遞機制是怎麼樣的？這個問題困擾了物理學家和天文學家一個多世紀。

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於旋轉狀態，會如導體切割磁場線一般產生電場，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，是這個理論的關鍵因素。但黑洞自旋參數極難測量，黑洞是否處於旋轉狀態至今尚沒有直接的觀測證據。

為了研究這個具有挑戰性的問題，科學研究人員針對 M87 星系中心超大質量黑洞及其噴流進行了研究。利用具有超高角解析度的甚長基線干涉測量技術（Very Long Baseline Interferometry，VLBI），天文學家解析出非常靠近黑洞的噴流結構。 科學研究人員透過分析2000 年至2022 年期間VLBI 觀測數據，成功地捕捉M87 中噴流的週期性進動（圖2）（進動precession：一個自轉的剛體受外力作用導致其自轉軸繞某一中心的旋轉現象）。

到底是什麼力量可以規律地改變這能量巨大的噴流的方向？ 經過大量的分析，研究團隊推斷問題的答案可能就隱藏在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並形成吸積盤，它們由黑洞的引力會不斷的靠近黑洞直到不可逆地被 “吸食” 到黑洞裡。然而，吸積盤的角動量可受多種隨機因子影響，極有可能與黑洞自旋軸存在一定夾角。但黑洞的超強引力會對周圍的時空產生重大的影響，會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週期性的進動。

重寫後的內容： 根據Yuzhu Cui等人（2023年）的研究結果，圖2展示了2013年至2018年期間每兩年合併後的M87噴流結構（觀測頻段為43 GHz）。每個子圖左上角標示了對應的年份。白色箭頭指示了噴流位置角度。下圖是基於2000年至2022年以一年為單位合併的影像所得的最佳擬合結果。綠點和藍點分別代表了22 GHz和43 GHz觀測頻段的資料。紅線表示根據進動模型的最佳擬合結果

研究團隊基於觀測結果進行了大量細緻的理論研究和分析，並結合 M87 性質，使用超級電腦進行了最新的數值模擬。數值模擬的結果證實了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。 偵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，帶來對超大質量黑洞性質的新認知。

揭示更多黑洞奧秘需計算助力

「我們對於能夠做出這一重大發現感到非常開心和幸運。在2017年，當我處理M87星系的EAVN資料時，我注意到噴流結構與以往的方向有明顯不同。從那時起，我們開始了為期六年的詳細資料處理、大量的理論研究和與合作者的無數次討論。 」作為論文的第一作者和通訊作者，之江實驗室的博士後崔玉竹表示，由於黑洞自旋軸與吸積盤角動量之間的夾角較小，並且進動週期超過十年，累積了長達23年的高解析度數據，並對M87的結構進行了仔細分析，這些都是獲得這一成果的必要條件

崔玉竹表示，我們非常感謝眾多合作者的幫助和支持，以及期刊編輯和評審的寶貴意見。值得一提的是，我們文章的審稿人之一是VLBI射電天文研究領域的傳奇人物詹姆斯·莫蘭

據悉，這項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）以及東亞到義大利/ 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 個射電望遠鏡為這項研究做出了貢獻。

圖3 東亞VLBI 網路中參加了此論文的望遠鏡分佈（來源：Kazuhiro Hada, Yuzhu Cui et al . 2023）

EAVN 有關活動星系核的科學工作組協調員、日本工學院大學的Motoki Kino 博士表示：「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。觀測數據與進動模型的預測完美契合，大大推動了我們對黑洞和噴流系統的理解。」

「基於這項工作，我們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天體面臨更大的挑戰。還有很多謎團需要更多的長期觀測和更詳細的分析。」 本次成果的重要合作單位、中國科學院上海天文台沈志強研究員表示，「近期開工建設的上海天文台日喀則40 公尺射電望遠鏡，建成後來將進一步提升EAVN 的高解析度毫米波成像觀測能力，有望催生更多天文發現。」

崔玉竹表示，吸積盤的精細的結構和M87 超大質量黑洞的自旋精確值仍有待進一步研究。而這進一步的研究，有賴於非常大量的物理參數的搜索，需要超強的智能計算算力的支撐。

目前，之江實驗室已搭建起FAST@ZJLAB 智慧運算天文開放平台，匯聚了17 種智慧演算法，在快速電波暴、天體化學等領域建構了BlinkVerse“ blinkverse.alkaidos.cn”、ChemiVerse 等科學資料庫，並與中國天眼FAST 建立了穩定的傳輸通道，天文大數據持續匯聚中。

李菂，中國天眼FAST的首席科學家和之江實驗室天文計算的首席科學家，表示隨著越來越多的電波望遠鏡的建成，觀測數據將會爆炸式增長，因此天文研究越來越需要智慧運算的支持。之江實驗室正在將人工智慧、雲端運算等技術引入天文學研究，以提高資料處理效率並拓展物理參數的探索空間。我們相信計算科學和射電天文學的深度融合將有力推動黑洞等宇宙神秘現象的本質揭示

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