轉(zhuǎn)狀態(tài)，會(huì)存在拖曳效應(yīng)”的預(yù)測(cè)。這項(xiàng)研究成果成功地將M87星系中心黑洞噴流的動(dòng)力學(xué)與該星系中心超大質(zhì)量黑洞的狀態(tài)聯(lián)系起來，為M87黑洞自旋的存在提供了有力的觀測(cè)證據(jù)。相關(guān)研究成果于北京時(shí)間9月27日在《自然》雜志上發(fā)表。

本項(xiàng)研究成果的傾斜吸積盤模型的示意圖。之江實(shí)驗(yàn)室博士后崔玉竹等供圖

專家介紹，如果把M87黑洞的自旋方向視為垂直于地面，那么吸積盤就如同與地面形成一定角度的陀螺螺體，而晃動(dòng)的陀螺軸心則是一道長(zhǎng)達(dá)5000光年的噴流。不同的是，陀螺運(yùn)動(dòng)的支點(diǎn)在它的下方，而吸積盤的運(yùn)動(dòng)中心是其中心的黑洞。

科研人員針對(duì)M87星系中心超大質(zhì)量黑洞及其噴流進(jìn)行了研究，通過分析最近23年來的VLBI觀測(cè)數(shù)據(jù)，成功地捕捉到M87中噴流的周期性進(jìn)動(dòng)。

經(jīng)過大量的分析，研究團(tuán)隊(duì)推斷問題的答案可能就隱藏在吸積盤的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)中：具有一定角動(dòng)量的物質(zhì)會(huì)繞著黑洞作軌道運(yùn)動(dòng)并形成吸積盤，它們受到黑洞的引力會(huì)不斷地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(dòng)量可受多種隨機(jī)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(qiáng)引力會(huì)對(duì)周圍的時(shí)空產(chǎn)生重大的影響，會(huì)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(duì)論預(yù)測(cè)的“拖曳效應(yīng)”，進(jìn)而引發(fā)吸積盤和噴流周期性的進(jìn)動(dòng)。

上圖：2013年至2018年期間每?jī)赡旰喜⒑蟮腗87噴流結(jié)構(gòu)（觀測(cè)頻段為43 GHz）。對(duì)應(yīng)的年份顯示在左上角。白色箭頭指示了每個(gè)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。受訪對(duì)象供圖

研究團(tuán)隊(duì)基于觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了大量細(xì)致的理論調(diào)研和分析，并使用超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行了最新的結(jié)合M87性質(zhì)的數(shù)值模擬。其結(jié)果證實(shí)了當(dāng)吸積盤的旋轉(zhuǎn)軸與黑洞的自旋軸存在夾角時(shí)，會(huì)因參考系拖曳效應(yīng)導(dǎo)致整個(gè)吸積盤的進(jìn)動(dòng)，而噴流受吸積盤的影響也產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)。探測(cè)到噴流的進(jìn)動(dòng)可為M87中心黑洞的自旋提供有力的觀測(cè)證據(jù)，帶來對(duì)超大質(zhì)量黑洞性質(zhì)的新認(rèn)知。

論文第一作者兼通訊作者，之江實(shí)驗(yàn)室博士后、研究人員崔玉竹表示：“我們很開心也很幸運(yùn)能有這一重大發(fā)現(xiàn)。由于黑洞自旋軸與吸積盤角動(dòng)量之間的夾角較小、進(jìn)動(dòng)周期又超過十年，因此積累超兩個(gè)周期的高分辨率數(shù)據(jù)，并對(duì)M87結(jié)構(gòu)的仔細(xì)分析，這些都是獲得這一成果的必要條件。”

“現(xiàn)在，我們的成果從觀測(cè)上進(jìn)一步肯定了以往的預(yù)期，這個(gè)饕餮般的黑洞確實(shí)在自旋。”日本國(guó)立天文臺(tái)的Kazuhiro Hada博士補(bǔ)充說。

據(jù)悉，這項(xiàng)工作使用了包括東亞VLBI網(wǎng)（EAVN）、美國(guó)的甚長(zhǎng)基線陣列、韓國(guó)KVN和日本VERA聯(lián)合陣列以及東亞到意大利/俄羅斯聯(lián)合的EATING觀測(cè)網(wǎng)在內(nèi)的多個(gè)國(guó)際觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的170個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)，全球超過20個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡為這項(xiàng)研究作出了貢獻(xiàn)。

“近年來的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)充分展現(xiàn)了毫米波VLBI技術(shù)在研究超大質(zhì)量黑洞和探索宇宙奧秘中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)?！敝袊?guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)沈志強(qiáng)研究員強(qiáng)調(diào)，近期開工建設(shè)的上海天文臺(tái)日喀則40米射電望遠(yuǎn)鏡，建成后將進(jìn)一步提升EAVN的高分辨率毫米波成像觀測(cè)能力。其所在的青藏高原是全球范圍內(nèi)最適合開展（亞）毫米波觀測(cè)的優(yōu)良站址區(qū)域之一，他們希望借此推動(dòng)發(fā)展中國(guó)亞毫米波天文觀測(cè)。

“射電望遠(yuǎn)鏡和手機(jī)接收信號(hào)的基本原理一致，都需要在時(shí)域高速采樣，從而產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)。進(jìn)一步深度融合高速發(fā)展的計(jì)算科學(xué)前沿和射電天文探索將能揭示包括黑洞在內(nèi)的宇宙神秘現(xiàn)象的本質(zhì)。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、“中國(guó)天眼”（500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST）首席科學(xué)家、之江實(shí)驗(yàn)室計(jì)算天文首席科學(xué)家李菂點(diǎn)評(píng)說。隨著數(shù)據(jù)的不斷積累，之江實(shí)驗(yàn)室正在將人工智能、云計(jì)算等技術(shù)引入到天文研究，提高數(shù)據(jù)處理效率、擴(kuò)大探究物理參數(shù)的空間。