从可口“甜甜圈”到酷炫“陀螺” M87黑洞的新发现来自科研人员“惊鸿一瞥”

图说：天文学家发现M87星系中黑洞喷流周期性进动 来源/中国科学院上海天文台

　　 从可口的“甜甜圈”到酷炫的“陀螺”，中国科学家不断揭示着黑洞一个又一个新的秘密。

　　 来自10个国家45个机构的科研人员通过分析多个甚长基线干涉测量（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。

　　 研究成果于北京时间27日深夜发表在国际顶尖学术期刊《自然》（Nature）上。

　　 缘起“惊鸿一瞥”

　　 这个符合爱因斯坦广义相对论关于“如果黑洞处于旋转状态，会导致拖曳效应”预测的重大发现，简单来说是从海量的数据中找寻到常人普遍会“一笑而过”的“微小异常”。

　　 故事要从六年前说起了。论文第一作者兼通讯作者、之江实验室博士后崔玉竹当时在日本国立天文台处理东亚VLBI2017年3月的观测数据——这能解析出非常靠近黑洞的喷流结构。她惊奇地发现，M87中心黑洞的喷流指向跟以往有了不一样，“更明显地偏向了南边”。

　　 M87星系中心超大质量黑洞，相信大家已经不陌生了。M87星系是一个距离地球5500万光年的近邻星系，中心有一个质量比太阳大65亿倍的黑洞，人类获取的首张黑洞照片，“模特”就是它。此外，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。

　　 “当时我是很疑惑的。”崔玉竹回忆，出现这种情况，要么是数据或者数据处理有问题；要么这可能是M87喷流真实的结构变化。为了排除第一个原因，她处理了同年其它VLBI观测阵观测到的M87喷流的数据，得到了相同的结构变化。

　　 “在后来的一次学术会议上，我也展示了这些数据，不过大家并没有很相信，觉得少量数据得出的摆动结论可能是由于不确定性造成的。”崔玉竹告诉记者。

　　 但她和导师选择了坚持，这一坚持就是6年多。

　　 “科学的新发现是很奇妙的！”中国科学院上海天文台台长沈志强点评说。

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）；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 来源/崔玉竹

　　 “观测高手”助力

　　 这项新发现的背后，全球超过20台射电望远镜作出贡献，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米射电望远镜更是功不可没。

　　 天马望远镜在2017年投入运行时，是当时我国口径最大、波段最全、全方位可转动的高性能大型射电望远镜系统。“在东亚VLBI网中，天马望远镜有效接收面积大于其他毫米波VLBI台站的总和，提高东亚VLBI网成像质量50%。”中国科学院上海天文台研究员江悟自豪地介绍，“天马的高灵敏度确保了长基线观测的成功率。”

资料图：中国科学院上海天文台65米天马望远镜 杨建正 摄

　　 四年前的世界首张黑洞照片，天马望远镜由于“不在一个频道”，没能直接出力，不过这一回，它充分展示了毫米波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。

　　 无独有偶，坐落于新疆的南山26米射电望远镜由于独特的地理位置，“东接西联”，在东亚望远镜和欧洲望远镜中间发挥接力观测的作用，将东亚VLBI网的角分辨率提升近一倍。

　　 “近期开工建设的上海天文台日喀则40米射电望远镜，建成后也将进一步提升东亚VLBI网的高分辨率毫米波成像观测能力。特别地，其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。”沈志强说。

图说：东亚VLBI网络中参加了此成果的望远镜分布 来源/之江实验室

　　 “陀螺”还有未知

　　 众所周知，黑洞不仅在“吃”（吸积物质），同时也在“吐”（辐射喷流）。不过，科学家至今也没能非常明确地解释好黑洞与喷流形成机制的关系，观测工作也是在一步步试图解开这个谜团。

　　 “研究中我们观测到喷流方向的周期性变化，周期约为11年，这是M87黑洞存在自旋最直接的证据。”云南大学中国西南天文研究所副研究员林伟康解释，“自旋很可能是黑洞喷流产生的关键。”

图说：倾斜吸积盘模型的示意图 来源/崔玉竹 之江实验室

　　 可以这样理解：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，而晃动的陀螺轴则是一道长达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。

　　 崔玉竹告诉记者，VLBI网中各台站的观测数据会传输到区域中心做互相关——利用氢原子钟将数据条纹对准在相关处理中心进行相关合成。天文科研人员在获取互相关数据后主要做两步：相位校准和幅度校准，最后成图，“我们分析了最近23年来的VLBI观测数据，形成了170个数据观测结果，这些都是纯人工完成的。”

　　 日本国立天文台秦和弘博士认为，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，这一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。

　　 崔玉竹说，团队下一步会继续观测，毕竟现在得出的黑洞喷流摆动周期约为11年的结论，靠23年的数据并不是绝对充分的，仍需更精确地更长期地监测喷流摆动幅度和周期性。此外，M87黑洞的自旋到底有多快，自旋值和喷流的周期性有何关联等科学问题，也需要一一解答。

　　 “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。”沈志强指出。

　　 新民晚报记者 郜阳

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