原创 耿挺 上海科技
当一个旋转的陀螺不能再保持笔直的旋转，而是在力量逐渐耗尽之后出现倾斜时，除了自转还在继续，其轴心也会出现来回的摇摆，这是一种“进动”。在距离地球5500万光年的M87星系中心，一个质量为65亿倍太阳的超级黑洞系统中的吸积盘和喷流也正在做出类似的旋转动作。如果把M87黑洞的自旋方向视为垂直于地面，那么吸积盘就如同与地面形成一定角度的陀螺螺体，而晃动的陀螺轴心则是一道长达5000光年的喷流。不同的是，陀螺运动的支点在它的下方，而吸积盘的运动中心是其中心的黑洞。
来自全球45家研究机构的科研人员组成国际科研团队，对多个甚长基线干涉（VLBI）测量网在2000年到2022年的观测技数据进行分析之后，发现了M87黑洞喷流呈现出约为11年的周期性摆动，振幅约为10度。
这一发现为黑洞的两大基础问题之一的“是否存在自旋”，提供了迄今为止最为直接的观测证据。同时也验证了爱因斯坦广义相对论中“如果黑洞处于旋转状态，会产生拖曳效应”的准确预测。相关论文9月27日在《自然》发表。
20多台射电望远镜望远镜+22年观测数据，
挖掘出重大发现
作为宇宙中最为神秘的天体，黑洞经历了从理论到验证的发现过程。阿尔伯特·爱因斯坦用广义相对论和卡尔·史瓦西的史瓦济精确解，从理论上预测了黑洞的存在；而罗伊·克尔则在1963年发现了旋转黑洞的解，从理论上预测了黑洞的自旋。
“质量和自旋是黑洞的基本参数。”论文第一作者兼通讯作者、之江实验室博士后研究人员崔玉竹说，2019年事件视界望远镜拍摄到了M87黑洞的照片，以及2020年诺贝尔物理学奖授予的有关超大质量致密天体的研究，都证明了黑洞存在质量。但要证明黑洞存在自旋却不是一件容易的事情。
一支以崔玉竹为首的国际科研团队第一次将喷流与黑洞自旋联系起来。在日本国立天文台攻读博士研究生时，崔玉竹发现，在VLBI网观察多年的M87黑洞数据中，喷流的角度出现了明显的变化，“应该说我还是比较幸运的，计算的第一张喷流照片，其角度正好位于最大振幅的位置”。
对于不同寻常数据蕴藏的科学价值，崔玉竹有着敏感的嗅觉。在排除了仪器可能的误差等解释之后，她尝试将喷流指向的数据时间线拉长。“最开始几年使用的数据来自美国甚长基线阵列（VLBA），由于观测望远镜的条件限制，这些数据并不十分精准。随着东亚VLBI网（EAVN）、韩国KVN和日本VERA联合阵列（KaVA），东亚到意大利/俄罗斯联合的EATING观测网在随后十多年间观察数据的加入，喷流的指向数据也越来越精准。”
当崔玉竹将全球超过20个射电望远镜横跨22年的170个M87观测数据结果排列在一起，一条完美的曲线展现在她的眼前：M87黑洞喷流以约11年为周期摆动，振幅为10度。如此规律的变化，意味着什么？崔玉竹说：“对于黑洞秘密的揭示，不仅需要对观察数据的总结，更需要理论科学家的想象。”
完美数据+理论研究，
获得最强黑洞自旋证据
“一个转动的大质量物体，会带动周边时空一起转动。这就是爱因斯坦广义相对论中的拖曳效应。”康奈尔大学教授、上海交大李政道研究所李政道讲席教授赖东说，有科学家提出用卫星来测量地球的拖曳效应，但结果还存在争议，而黑洞成为验证该理论的最好样本之一。
“如果黑洞存在自旋，就会带来一个特有的现象——冷泽-提尔苓进动。它是由物体的转动而产生的拖曳效应所导致的。”云南大学中国西南天文研究所林伟康副研究员解释说，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，它们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，极有可能与黑洞自旋轴存在一定夹角。但黑洞的超强引力会对周围的时空产生重大的影响，会导致附近的物体沿着黑洞的旋转方向被拖拽，即爱因斯坦的广义相对论预测的拖曳效应，进而引发吸积盘和喷流周期性的进动。
研究团队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了当吸积盘的旋转轴与黑洞的自旋轴存在夹角时，会因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。
证明黑洞自旋的存在，将大大拓展人们对于超大质量黑洞性质的新认知。“比如，黑洞的自旋很可能是喷流产生的关键因素。自旋的黑洞会在表面带有一个形如苹果的能层，当物质通过能层后会获得很高的能量。也有科学家认为，带有自旋的黑洞处在磁场中，磁场可帮助抽取黑洞的自旋能，这个过程可能是喷流形成的机制。”林伟康说，一个谜团的解开可能意味着更多谜团的扑面而来，“M87黑洞自旋有多快？其他星系存在喷流的进动吗？这些新问题，都等待破解。”
天马65米+南山26米，
中国射电望远镜发挥关键作用
100多年前，天文学家测量出水星轨道的进动，大约每100年快43角秒。而M87黑洞比水星远了1万亿倍，从地球上看到的变化振幅只有0.3毫角秒。幸运的是，M87喷流的进动周期也只有11年，这使得崔玉竹能够在最近20多年里的观测数据中寻觅到变化规律。
在项目进行过程中，国内的多家单位深度合作，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米射电望远镜自2017年起持续参与东亚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。
“上海65米天马望远镜是我国当时口径最大、波段最全、全方位可转动的高性能大型射电望远镜。”中国科学院上海天文台江悟副研究员说，天马望远镜在进入东亚VLBI网后，其有效接收面积大于其他毫米波VLBI台站的总和，将全网成像质量提高了50%；而在EATING观测网中，天马望远镜的高灵敏度确保了长基线观测的成功率，成为网中东半球的“定海神针”。
“南山26米射电望远镜的优势在于深入欧亚大陆腹地，成为整个中亚地区能够参与区域乃至全球VLBI组网的最重要的射电望远镜之一。”新疆天文台崔朗研究员说，南山26米射电望远镜将东亚VLBI网的角分辨率提升了一倍左右；在EATING观测网中，南山26米射电望远镜发挥了“接力棒”的作用，成为“东接”“西联”的中间枢纽。
“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台长沈志强研究员强调，“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。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东亚VLBI网的高分辨率毫米波成像观测能力。特别地，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。”
“随着现代天文学的发展，我们通过射电望远镜捕捉到了巨量且丰富的宇宙信号。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。”之江实验室智能计算数字反应堆计算天文应用领域首席专家，中国科学院国家天文台研究员、“中国天眼”FAST首席科学家李菂表示，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，以加速对超大质量黑洞的探索进程。
原标题：《中国科学家获得黑洞自旋最直接证据，验证爱因斯坦广义相对论“拖曳效应”》
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