這項(xiàng)天文新發(fā)現(xiàn)成果由包括中國(guó)5家研究機(jī)構(gòu)在內(nèi)全球45個(gè)研究機(jī)構(gòu)科研人員組成的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行合作，通過分析多個(gè)甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量(VLBI)網(wǎng)在2000年至2022年的觀測(cè)數(shù)據(jù)研究完成，結(jié)果符合愛因斯坦的廣義相對(duì)論關(guān)于“如果黑洞處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致參考系拖曳效應(yīng)”的預(yù)測(cè)，成功將M87星系中心黑洞噴流的動(dòng)力學(xué)與該黑洞的狀態(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)。
北京時(shí)間9月27日夜間，M87黑洞這一重磅成果論文在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)上線發(fā)表。
破解困擾科學(xué)家一個(gè)多世紀(jì)的難題
本項(xiàng)研究由之江實(shí)驗(yàn)室、云南大學(xué)中國(guó)西南天文研究所、上海交通大學(xué)李政道研究所、中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)、中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)等領(lǐng)銜國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)合作開展。據(jù)該團(tuán)隊(duì)介紹，活躍星系中心的超大質(zhì)量黑洞，是宇宙中最具破壞性且最神秘的天體之一。它們引力巨大，通過吸積盤“吃進(jìn)”大量物質(zhì)，同時(shí)也將物質(zhì)以接近光速的高速“吐出”到數(shù)千光年以外。然而，超大質(zhì)量黑洞、吸積盤和噴流之間的能量傳輸機(jī)制是怎樣的？這是一個(gè)困擾了物理學(xué)家和天文學(xué)家一個(gè)多世紀(jì)的難題。
目前，科學(xué)家們廣泛接受的理論認(rèn)為，黑洞的角動(dòng)量是能量的來源，一種可能是如果黑洞附近存在磁場(chǎng)且黑洞處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，會(huì)如導(dǎo)體切割磁力線一般產(chǎn)生電場(chǎng)，從而加速黑洞周圍的電離體，最終部分物質(zhì)會(huì)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(cè)量，甚至黑洞是否處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)至今尚沒有直接的觀測(cè)證據(jù)。
為此，國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)M87星系中心超大質(zhì)量黑洞及其噴流進(jìn)行研究。此前，天文學(xué)家于1918年首次在光學(xué)波段觀測(cè)到M87星系中的噴流，這也是人類觀測(cè)到的第一個(gè)宇宙噴流。M87星系因此成為天文學(xué)家研究黑洞與噴流之間關(guān)系的最佳目標(biāo)源，能夠利用具有超高角分辨率的VLBI技術(shù)解析出非常靠近黑洞的噴流結(jié)構(gòu)。在這次研究中，科研人員通過分析最近23年來的VLBI觀測(cè)數(shù)據(jù)，成功捕捉到M87黑洞中噴流的周期性擺動(dòng)。
觀測(cè)肯定饕餮般的黑洞確實(shí)在自旋
宇宙中到底有什么力量可以規(guī)律地改變能量巨大的黑洞噴流的方向？經(jīng)過大量分析，國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)推斷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)不斷靠近黑洞直到不可逆地被“吸食”到黑洞里。
不過，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)生重大影響，會(huì)導(dǎo)致附近物體沿著黑洞的旋轉(zhuǎn)方向被拖曳，即愛因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)的“參考系拖曳效應(yīng)”，進(jìn)而引發(fā)吸積盤和噴流周期性的擺動(dòng)。
研究人員科普稱，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。
國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)基于觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行大量細(xì)致的理論調(diào)研和分析，并使用超級(jí)計(jì)算機(jī)結(jié)合M87性質(zhì)進(jìn)行最新數(shù)值模擬，結(jié)果證實(shí)，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)吸積盤的擺動(dòng)，而噴流受吸積盤的影響也產(chǎn)生擺動(dòng)。探測(cè)到噴流的擺動(dòng)可為M87中心黑洞的自旋提供有力的觀測(cè)證據(jù)，從而帶來對(duì)超大質(zhì)量黑洞性質(zhì)的新認(rèn)知。
本研究成果論文第一作者兼通訊作者、之江實(shí)驗(yàn)室博士后崔玉竹指出，由于黑洞自旋軸與吸積盤角動(dòng)量之間的夾角較小、擺動(dòng)周期又超過十年，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，都是獲得這一成果的必要條件。
日本國(guó)立天文臺(tái)秦和弘(Kazuhiro Hada)博士補(bǔ)充說，繼使用事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)拍攝到M87星系中的黑洞照片后，這個(gè)黑洞是否在自旋就一直是科學(xué)家們關(guān)注的最核心問題，這次研究成果從觀測(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。
將揭示黑洞等宇宙神秘現(xiàn)象的本質(zhì)
此次M87黑洞噴流觀測(cè)研究工作使用包括東亞VLBI網(wǎng)(EAVN)、美國(guó)的甚長(zhǎng)基線陣列(VLBA)、韓國(guó)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(cè)網(wǎng)在內(nèi)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)鏡做出貢獻(xiàn)。
同時(shí)，在項(xiàng)目研究進(jìn)行過程中，中國(guó)多家科研單位深度合作：中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)65米天馬望遠(yuǎn)鏡和中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)南山26米射電望遠(yuǎn)鏡自2017年起持續(xù)參與東亞VLBI網(wǎng)觀測(cè)，分別在提高觀測(cè)靈敏度和角分辨率上發(fā)揮重要作用，云南大學(xué)中國(guó)西南天文研究所林偉康副研究員、上海交通大學(xué)李政道研究所水野陽(yáng)介(Yosuke Mizuno)副教授、中國(guó)人民解放軍空軍預(yù)警學(xué)院俞錦濤博士、中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)江悟副研究員和中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)崔朗研究員等在數(shù)據(jù)分析處理和理論模型對(duì)比解釋中做出重要貢獻(xiàn)。
基于這項(xiàng)研究工作，國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)預(yù)測(cè)還有更多的星系中心黑洞具有類似傾斜的吸積盤結(jié)構(gòu)，但如何探測(cè)到更多具有傾斜盤的源也面臨更大挑戰(zhàn)，還有很多謎團(tuán)需要更多的長(zhǎng)期觀測(cè)和更加詳細(xì)的分析。中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)沈志強(qiáng)研究員強(qiáng)調(diào)，最近這些年來的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，已充分展現(xiàn)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)。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，建成后也將進(jìn)一步提升東亞VLBI網(wǎng)的高分辨率毫米波成像觀測(cè)能力，特別是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，“我們希望藉此推動(dòng)發(fā)展中國(guó)亞毫米波天文觀測(cè)”。
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)指出，宇宙從來不是寂靜無聲的，隨著現(xiàn)代天文學(xué)特別是射電天文的發(fā)展，可通過射電望遠(yuǎn)鏡捕捉到巨量且豐富的宇宙信號(hào)。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)。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。
國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)表示，本項(xiàng)開創(chuàng)性研究體現(xiàn)出國(guó)際合作對(duì)解開宇宙奧秘的重要性。“在我們?yōu)檫@一里程碑慶祝之后，探索這些神秘的超大質(zhì)量黑洞的旅程仍在繼續(xù)，讓我們一步步地揭開宇宙的更多奧秘”。(完)
