每經(jīng)編輯 杜宇

黑洞自旋終于找到更為有力的觀測(cè)證據(jù)！

北京時(shí)間9月27日，國(guó)際頂刊《自然》（Nature）刊發(fā)一篇由中國(guó)科學(xué)家領(lǐng)銜的黑洞研究成果論文，發(fā)現(xiàn)M87星系中心黑洞噴流呈現(xiàn)周期性擺動(dòng)，擺動(dòng)周期約為11年，振幅約為10度。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(lái)，為M87黑洞自旋的存在提供了觀測(cè)證據(jù)。這是繼2019年首張黑洞“甜甜圈”照片和今年4月黑洞全景照片發(fā)布后，黑洞研究領(lǐng)域又一重大成果。

傾斜吸積盤(pán)模型的示意圖 圖片來(lái)源：央視新聞

據(jù)央視新聞9月27日消息，近日，由來(lái)自全球45個(gè)研究機(jī)構(gòu)的科研人員組成的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)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)，發(fā)現(xiàn)M87星系中心黑洞噴流呈現(xiàn)周期性擺動(dòng)，擺動(dòng)周期約為11年，振幅約為10度。這一現(xiàn)象符合愛(ài)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)。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(lái)，為M87黑洞自旋的存在提供了有力的觀測(cè)證據(jù)。這一成果在北京時(shí)間9月27日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。

據(jù)新華社，這項(xiàng)最新研究成果的論文第一作者兼通訊作者、之江實(shí)驗(yàn)室博士后崔玉竹介紹，利用甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）技術(shù)，科研人員在解析M87黑洞噴流結(jié)構(gòu)過(guò)程中，驚奇地發(fā)現(xiàn)東亞VLBI網(wǎng)在2017年3月觀測(cè)到的M87黑洞噴流指向，與以往有所不同。緊盯這一蛛絲馬跡，通過(guò)深入分析近23年來(lái)全球多個(gè)VLBI網(wǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，最終發(fā)現(xiàn)M87黑洞噴流呈現(xiàn)周期性擺動(dòng)，擺動(dòng)周期約為11年，振幅約為10度。這首次為黑洞自旋理論提供了最有力的觀測(cè)證據(jù)。

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(guò)吸積盤(pán)“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(pán)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(lái)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(méi)有直接的觀測(cè)證據(jù)。

上圖：2013年至2018年期間每?jī)赡旰喜⒑蟮腗87噴流結(jié)構(gòu) 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

M87星系是一個(gè)距離地球5500萬(wàn)光年的近鄰星系，其中心有一個(gè)質(zhì)量比太陽(yáng)大65億倍的黑洞，天文學(xué)家在1918年首次在光學(xué)波段觀測(cè)到M87中的噴流，這也是人類觀測(cè)到的第一個(gè)宇宙噴流。這些特征讓M87星系成為了天文學(xué)家研究黑洞與噴流之間關(guān)系的最佳目標(biāo)源，天文學(xué)家能夠利用具有超高角分辨率的VLBI技術(shù)解析出非?？拷诙吹膰娏鹘Y(jié)構(gòu)。科研人員通過(guò)分析最近23年來(lái)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)。

宇宙中到底有什么力量可以規(guī)律地改變這一能量巨大的噴流的方向？經(jīng)過(guò)分析，研究團(tuán)隊(duì)推斷問(wèn)題的答案可能就隱藏在吸積盤(pán)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(pán)，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(pán)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。

黑洞捕獲氣體的物理過(guò)程被稱為“吸積”，這種落向黑洞的氣體則被稱為吸積流，其處在等離子體狀態(tài)。（圖片來(lái)源：央視新聞）

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(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)的“參考系拖曳效應(yīng)”，進(jìn)而引發(fā)吸積盤(pán)和噴流周期性的進(jìn)動(dòng)。如果把M87黑洞的自旋方向視為垂直于地面，那么吸積盤(pán)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(pán)的運(yùn)動(dòng)中心是其中心的黑洞。

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)合了M87性質(zhì)的數(shù)值模擬。數(shù)值模擬的結(jié)果證實(shí)了當(dāng)吸積盤(pán)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(pán)的進(jìn)動(dòng)，而噴流受吸積盤(pán)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(lái)對(duì)超大質(zhì)量黑洞性質(zhì)的新認(rèn)知。

圖片來(lái)源：央視新聞 （圖文無(wú)關(guān)）

封面圖片來(lái)源：：央視新聞