之江實驗室科學家成功捕捉M87黑洞噴流週期性進動

據微信公眾號“之江實驗室”27日消息，9月27日，《自然》（Nature）雜誌發佈由45個機構組成的國際科研團隊的最新研究成果。通過分析2000年至2022年期間的觀測數據，發現M87星系中心黑洞噴流呈現週期性擺動，擺動週期約為11年，振幅約為10度。這一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。假設黑洞的自旋軸豎直向上，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。（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5500萬光年的近鄰星系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，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，從一片朦朧的光斑中心發出”。1918年，天文學家首次觀測到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家和天文學家一個多世紀。

目前，科學家們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，是這一理論的關鍵因素。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，科研人員針對M87星系中心超大質量黑洞及其噴流進行了研究。利用具有超高角分辨率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。科研人員通過分析2000年至2022年期間VLBI觀測數據，成功地捕捉到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一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着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”到黑洞裏。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生重大的影響，會導致附近的物體沿着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。

圖2. 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）。對應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：基於2000年至2022年以一年為單位合併的圖像得出的最佳擬合結果。綠色點和藍色點分別來自22 GHz和43 GHz的觀測頻段的數據。紅線表示根據進動模型的最佳擬合結果。（來源：Yuzhu Cui et al. 2023）

研究團隊基於觀測結果進行了大量細緻的理論調研和分析，並結合M87性質，使用超級計算機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。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，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

“我們很開心也很幸運能有這一重大發現。2017年，我在處理M87星系的EAVN數據時，看到了噴流結構明顯和以往的結構方向不同。從此開啓了為期六年的細緻的數據處理、大量的理論文章調研以及無數次與合作者的討論。”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、進動週期又超過十年，積累超兩個週期長達23年的高分辨率數據，並對M87結構仔細分析，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射電天文研究領域的傳奇人物James Moran。”崔玉竹説道。

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）以及東亞到意大利/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網絡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加詳細的分析。”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米射電望遠鏡，建成後將進一步提升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。

當前，之江實驗室已搭建起FAST@ZJLAB智能計算天文開放平台，匯聚了17種智能算法，在快速射電暴、天體化學等領域構建了BlinkVerse「blinkverse.alkaidos.cn」、ChemiVerse等科學數據庫，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。

“中國天眼”FAST首席科學家、之江實驗室天文計算首席科學家李菂表示，越來越多射電望遠鏡的建成將帶來觀測數據的爆炸式增長，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、雲計算等技術引入天文研究，提高數據處理效率、拓展物理參數探索空間。相信計算科學和射電天文的深度融合將有力推動黑洞等宇宙神秘現象的本質揭示。