青年报·青春上海记者 刘晶晶/文 吴恺/图、视频

近23年来累积的数据，全球超20台射电望远镜的参与，来自10个国家45个研究机构科研人员的共同分析，终于以“M87星系中心黑洞喷流呈现周期性摆动”的发现，证明了黑洞自旋的存在，也成为爱因斯坦广义相对论的又一个论据。这项研究成果于北京时间2023年9月27日发表在《自然》（Nature）上。其中，中国的两台射电望远镜及多位天文学家发挥了不可替代的作用。

  黑洞是否自旋难题长期困扰科学家  

论文第一作者兼通讯作者是之江实验室博士后崔玉竹，云南大学中国西南天文研究所的副研究员林伟康、上海交通大学李政道研究所Yosuke Mizuno副教授、中国人民解放军空军预警学院俞锦涛博士、中国科学院上海天文台江悟副研究员和新疆天文台崔朗研究员等在数据分析处理和理论模型对比解释中做出了重要贡献。

崔玉竹是一位出生于1991年的年轻天文学家。她介绍说，活动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，同时也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是怎样的？这是一个困扰了物理学家和天文学家一个多世纪的难题。

目前，科学家们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。但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没有直接的观测证据。

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进行了研究。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，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。

这些特征让M87星系成为了天文学家研究黑洞与喷流之间关系的最佳目标源，天文学家能够利用具有超高角分辨率的甚长基线干涉测量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）技术解析出非常靠近黑洞的喷流结构。

  6年坚持她只为寻找一个问题的答案  

来自全球45个研究机构的科研人员组成的国际科研团队通过分析近23年来的VLBI观测数据，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数值模拟，成功地捕捉到M87中喷流的周期性进动，摆动周期约为11年，振幅约为10度。

这一现象符合爱因斯坦的广义相对论关于“如果黑洞处于旋转状态，会导致参考系拖曳效应”的预测。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，带来对超大质量黑洞性质的新认知。

最初捕捉到喷流指向有所“异动”的正是年轻的崔玉竹。2017年5月，她首次加入到这一项目中，处理完东亚VLBI网的第一个2017年3月份观测的数据时，惊奇地发现M87的喷流指向跟以往有了一定的区别。“我发现2017年的指向比以往M87喷流的指向更加偏向南边，而且非常明显，这是个很奇怪又很有意思的现象。”崔玉竹告诉记者，她当时感到很疑惑，还怀疑是不是数据或者数据处理方面有问题，但也有可能，这是M87产生了真实的结构变化。

为了排除数据原因，崔玉竹处理了同年其他观测阵观测的M87数据，最终得到了相同的结构变化，同她当时的小导师处理结果一样。“那就只有可能是第二个原因，这是很有意思的，我非常好奇是什么原因导致了喷流指向的变化。”也正是对于这个问题的好奇心，促使她开始了长达六年的数据观测、收集、处理和分析，“我要找到答案。”终于在第7年，她解答出了这个问题。

  国内天文“重器”发挥不可替代贡献  

这项工作使用了多个国际观测网络的170个观测数据，全球超过20个射电望远镜为这项研究做出了贡献。其中，国内的望远镜起到了不可替代的作用——从2017年起，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米射电望远镜就持续参与EAVN（东亚VLBI网）观测，分别在提高观测灵敏度和角分辨率上发挥了重要作用。

中国科学院上海天文台副研究员江悟介绍说，位于上海松江的天马望远镜，有效接收面积大于其他毫米波VLBI台站总和，可以对东亚VLBI网的成像质量提高50%，其所具有的高灵敏度，也确保了甚长基线观测的成功率，是东半球的“定海神针”。

而位于中国科学院新疆天文台南山观测站的26米射电望远镜，则由于其独特的地理位置，填补了中亚射电望远镜的时区空白，在全球联网观测中起到了“接力棒”的作用。

“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。”中国科学院上海天文台沈志强研究员强调，“最近这些年来的科学发现，已经充分展现了毫米波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。

他表示，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EAVN的高分辨率毫米波成像观测能力。“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。”

“宇宙从来不是寂静无声的，进一步深度融合高速发展的计算科学前沿和射电天文探索将能揭示包括黑洞在内的宇宙神秘现象的本质。”中国科学院国家天文台研究员、“中国天眼”（500米口径球面射电望远镜，FAST）首席科学家、之江实验室计算天文首席科学家李菂点评说。随着数据的不断积累，之江实验室正在将人工智能、云计算等技术引入到天文研究，提高数据处理效率、扩大探究物理参数的空间。

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编辑:陆天逸

来源:青春上海News—24小时青年报