9 月 27 日，《自然》（Nature）雜志發(fā)布由 45 個機構(gòu)組成的國際科研團隊的最新研究成果。通過分析 2000 年至 2022 年期間的觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn) M87 星系中心黑洞噴流呈現(xiàn)周期性擺動，擺動周期約為 11 年，振幅約為 10 度。這一現(xiàn)象符合愛因斯坦的廣義相對論關(guān)于 “如果黑洞處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，會導(dǎo)致參考系拖曳效應(yīng)” 的預(yù)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(jù)（圖 1）。之江實驗室博士后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(shè)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(zhuǎn)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(fā)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）

成功捕捉噴流周期性進動

2019 年 4 月 10 日，全球多地天文學(xué)家同步公布了首張黑洞照片。它位于距離地球 5500 萬光年的近鄰星系 M87 星系中心，質(zhì)量比太陽大 65 億倍。這樣的超大質(zhì)量黑洞，是宇宙中最神秘且最具破壞性的天體之一。它們引力巨大，通過吸積盤 “吃進” 大量物質(zhì)，同時也將物質(zhì)以接近光速的高速 “吐出” 到數(shù)千光年以外，形成噴流。

“一束奇怪的直射線，從一片朦朧的光斑中心發(fā)出”。1918 年，天文學(xué)家首次觀測到 M87 中的噴流，這也是人類觀測到的第一個宇宙噴流。超大質(zhì)量黑洞、吸積盤和噴流之間的能量傳輸機制是怎樣的？這個問題困擾了物理學(xué)家和天文學(xué)家一個多世紀(jì)。

目前，科學(xué)家們廣泛接受的理論認(rèn)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(zhuǎn)狀態(tài)，會如導(dǎo)體切割磁場線一般產(chǎn)生電場，從而加速黑洞周圍的電離體，最終部分物質(zhì)會攜帶巨大的能量被噴射出去。其中，超大質(zhì)量黑洞的自旋，是這一理論的關(guān)鍵因素。但黑洞自旋參數(shù)極難測量，黑洞是否處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)至今尚沒有直接的觀測證據(jù)。

為了研究這個具有挑戰(zhàn)性的問題，科研人員針對 M87 星系中心超大質(zhì)量黑洞及其噴流進行了研究。利用具有超高角分辨率的甚長基線干涉測量技術(shù)（Very Long Baseline Interferometry，VLBI），天文學(xué)家解析出非?？拷诙吹膰娏鹘Y(jié)構(gòu)。科研人員通過分析 2000 年至 2022 年期間 VLBI 觀測數(shù)據(jù)，成功地捕捉到 M87 中噴流的周期性進動（圖 2）（進動 precession：一個自轉(zhuǎn)的剛體受外力作用導(dǎo)致其自轉(zhuǎn)軸繞某一中心的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象）。

到底是什么力量可以規(guī)律地改變這一能量巨大的噴流的方向？經(jīng)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(xué)性質(zhì)中。具有一定角動量的物質(zhì)會繞著黑洞作軌道運動并形成吸積盤，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” 到黑洞里。然而，吸積盤的角動量可受多種隨機因素影響，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(chǎn)生重大的影響，會導(dǎo)致附近的物體沿著黑洞的旋轉(zhuǎn)方向被拖曳，即愛因斯坦的廣義相對論預(yù)測的 “參考系拖曳效應(yīng)”，進而引發(fā)吸積盤和噴流周期性的進動。

圖 2  2013 年至 2018 年期間每兩年合并后的 M87 噴流結(jié)構(gòu)（觀測頻段為 43 GHz）。對應(yīng)的年份顯示在左上角。白色箭頭指示了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(jié)果。綠色點和藍(lán)色點分別來自 22 GHz 和 43 GHz 的觀測頻段的數(shù)據(jù)。紅線表示根據(jù)進動模型的最佳擬合結(jié)果。（來源：Yuzhu Cui et al. 2023）

研究團隊基于觀測結(jié)果進行了大量細(xì)致的理論調(diào)研和分析，并結(jié)合 M87 性質(zhì)，使用超級計算機進行了最新的數(shù)值模擬。數(shù)值模擬的結(jié)果證實了當(dāng)吸積盤的旋轉(zhuǎn)軸與黑洞的自旋軸存在夾角時，會因參考系拖曳效應(yīng)導(dǎo)致整個吸積盤的進動，而噴流受吸積盤的影響也產(chǎn)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(jù)，帶來對超大質(zhì)量黑洞性質(zhì)的新認(rèn)知。

揭示更多黑洞奧秘需計算助力

“我們很開心也很幸運能有這一重大發(fā)現(xiàn)。2017 年，我在處理 M87 星系的 EAVN 數(shù)據(jù)時，看到了噴流結(jié)構(gòu)明顯和以往的結(jié)構(gòu)方向不同。從此開啟了為期六年的細(xì)致的數(shù)據(jù)處理、大量的理論文章調(diào)研以及無數(shù)次與合作者的討論。” 論文第一作者兼通訊作者、之江實驗室博士后崔玉竹表示，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，積累超兩個周期長達(dá) 23 年的高分辨率數(shù)據(jù)，并對 M87 結(jié)構(gòu)仔細(xì)分析，都是獲得這一成果的必要條件。

“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(lǐng)域的傳奇人物 James Moran?！?崔玉竹說道。

據(jù)悉，這項工作使用了包括東亞 VLBI 網(wǎng)（EAVN）、美國的甚長基線陣列（VLBA）、韓國 KVN 和日本 VERA 聯(lián)合陣列（KaVA）以及東亞到意大利 / 俄羅斯聯(lián)合的 EATING 觀測網(wǎng)在內(nèi)的多個國際觀測網(wǎng)絡(luò)的 170 個觀測數(shù)據(jù)，全球超過 20 個射電望遠(yuǎn)鏡為這項研究做出了貢獻(xiàn)。

圖 3 東亞 VLBI 網(wǎng)絡(luò)中參加了此論文的望遠(yuǎn)鏡分布（來源：Kazuhiro Hada, Yuzhu Cui et al. 2023）

EAVN 有關(guān)活動星系核的科學(xué)工作組協(xié)調(diào)員、日本工學(xué)院大學(xué)的 Motoki Kino 博士表示：“這是一個令人興奮的科學(xué)里程碑，多虧了來自世界各地 45 個機構(gòu)的研究人員多年的共同觀測，我們最終揭示了這一科學(xué)奧秘。觀測數(shù)據(jù)與進動模型的預(yù)測完美契合，大大推動了我們對黑洞和噴流系統(tǒng)的理解。”

“基于這項工作，我們預(yù)測還有更多的星系中心黑洞具有類似的傾斜的吸積盤結(jié)構(gòu)，但如何探測到更多具有傾斜盤的天體面臨更大的挑戰(zhàn)。還有很多謎團需要更多的長期觀測和更加詳細(xì)的分析?！?本次成果的重要合作單位、中國科學(xué)院上海天文臺沈志強研究員表示，“近期開工建設(shè)的上海天文臺日喀則 40 米射電望遠(yuǎn)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，有望催生更多天文發(fā)現(xiàn)。”

崔玉竹表示，吸積盤的精細(xì)的結(jié)構(gòu)和 M87 超大質(zhì)量黑洞的自旋精確值仍待進一步研究。而這進一步的研究，有賴于非常大量的物理參數(shù)的搜索，需要超強的智能計算算力的支撐。

當(dāng)前，之江實驗室已搭建起 FAST@ZJLAB 智能計算天文開放平臺，匯聚了 17 種智能算法，在快速射電暴、天體化學(xué)等領(lǐng)域構(gòu)建了 BlinkVerse「blinkverse.alkaidos.cn」、ChemiVerse 等科學(xué)數(shù)據(jù)庫，并與中國天眼 FAST 建立了穩(wěn)定的傳輸通道，天文大數(shù)據(jù)持續(xù)匯聚中。

“中國天眼” FAST 首席科學(xué)家、之江實驗室天文計算首席科學(xué)家李菂表示，越來越多射電望遠(yuǎn)鏡的建成將帶來觀測數(shù)據(jù)的爆炸式增長，天文研究越來越需要智能計算的支撐。之江實驗室正在將人工智能、云計算等技術(shù)引入天文研究，提高數(shù)據(jù)處理效率、拓展物理參數(shù)探索空間。相信計算科學(xué)和射電天文的深度融合將有力推動黑洞等宇宙神秘現(xiàn)象的本質(zhì)揭示。