天文学家发现m87星系中黑洞喷流周期性进动-尊龙凯时网址

　　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。”

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）