這項天文新發現成果由包括中國5家研究機構在內全球45個研究機構科研人員組成的國際科研團隊進行合作，通過分析多個甚長基線干涉測量(VLBI)網在2000年至2022年的觀測數據研究完成，結果符合愛因斯坦的廣義相對論關于“如果黑洞處于旋轉狀態，會導致參考系拖曳效應”的預測，成功將M87星系中心黑洞噴流的動力學與該黑洞的狀態聯系起來，為M87黑洞自旋的存在提供了有力的觀測證據。

　　北京時間9月27日夜間，M87黑洞這一重磅成果論文在國際著名學術期刊《自然》(Nature)上線發表。

　　破解困擾科學家一個多世紀的難題

　　本項研究由之江實驗室、云南大學中國西南天文研究所、上海交通大學李政道研究所、中國科學院上海天文臺、中國科學院新疆天文臺等領銜國際科研團隊合作開展。據該團隊介紹，活躍星系中心的超大質量黑洞，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”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。然而，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？這是一個困擾了物理學家和天文學家一個多世紀的難題。

　　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于旋轉狀態，會如導體切割磁力線一般產生電場，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，甚至黑洞是否處于旋轉狀態至今尚沒有直接的觀測證據。

　　為此，國際科研團隊針對M87星系中心超大質量黑洞及其噴流進行研究。此前，天文學家于1918年首次在光學波段觀測到M87星系中的噴流，這也是人類觀測到的第一個宇宙噴流。M87星系因此成為天文學家研究黑洞與噴流之間關系的最佳目標源，能夠利用具有超高角分辨率的VLBI技術解析出非常靠近黑洞的噴流結構。在這次研究中，科研人員通過分析最近23年來的VLBI觀測數據，成功捕捉到M87黑洞中噴流的周期性擺動。

　　觀測肯定饕餮般的黑洞確實在自旋

　　宇宙中到底有什么力量可以規律地改變能量巨大的黑洞噴流的方向？經過大量分析，國際科研團隊推斷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著黑洞作軌道運動并形成吸積盤，它們受到黑洞的引力會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影響，會導致附近物體沿著黑洞的旋轉方向被拖曳，即愛因斯坦廣義相對論預測的“參考系拖曳效應”，進而引發吸積盤和噴流周期性的擺動。

　　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，而晃動的陀螺軸則是一道長達5000光年的噴流。不同的是，陀螺運動的支點在它的下方，而吸積盤的運動中心是其中心的黑洞。

　　國際科研團隊基于觀測結果進行大量細致的理論調研和分析，并使用超級計算機結合M87性質進行最新數值模擬，結果證實，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擺動，而噴流受吸積盤的影響也產生擺動。探測到噴流的擺動可為M87中心黑洞的自旋提供有力的觀測證據，從而帶來對超大質量黑洞性質的新認知。

　　本研究成果論文第一作者兼通訊作者、之江實驗室博士后崔玉竹指出，由于黑洞自旋軸與吸積盤角動量之間的夾角較小、擺動周期又超過十年，積累超兩個周期的高分辨率數據，并對M87結構的仔細分析，都是獲得這一成果的必要條件。

　　日本國立天文臺秦和弘(Kazuhiro Hada)博士補充說，繼使用事件視界望遠鏡(EHT)拍攝到M87星系中的黑洞照片后，這個黑洞是否在自旋就一直是科學家們關注的最核心問題，這次研究成果從觀測上進一步肯定了以往的預期，這個饕餮般的黑洞確實在自旋。

　　將揭示黑洞等宇宙神秘現象的本質

　　此次M87黑洞噴流觀測研究工作使用包括東亞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個射電望遠鏡做出貢獻。

　　同時，在項目研究進行過程中，中國多家科研單位深度合作：中國科學院上海天文臺65米天馬望遠鏡和中國科學院新疆天文臺南山26米射電望遠鏡自2017年起持續參與東亞VLBI網觀測，分別在提高觀測靈敏度和角分辨率上發揮重要作用，云南大學中國西南天文研究所林偉康副研究員、上海交通大學李政道研究所水野陽介(Yosuke Mizuno)副教授、中國人民解放軍空軍預警學院俞錦濤博士、中國科學院上海天文臺江悟副研究員和中國科學院新疆天文臺崔朗研究員等在數據分析處理和理論模型對比解釋中做出重要貢獻。

　　基于這項研究工作，國際科研團隊預測還有更多的星系中心黑洞具有類似傾斜的吸積盤結構，但如何探測到更多具有傾斜盤的源也面臨更大挑戰，還有很多謎團需要更多的長期觀測和更加詳細的分析。中國科學院上海天文臺沈志強研究員強調，最近這些年來的科學發現，已充分展現毫米波VLBI技術在研究超大質量黑洞和探索宇宙奧秘中的獨特優勢。近期開工建設的上海天文臺日喀則40米射電望遠鏡，建成后也將進一步提升東亞VLBI網的高分辨率毫米波成像觀測能力，特別是其所在的青藏高原是全球范圍內最適合開展(亞)毫米波觀測的優良站址區域之一，“我們希望藉此推動發展中國亞毫米波天文觀測”。

　　中國科學院國家天文臺研究員、“中國天眼”(500米口徑球面射電望遠鏡，FAST)首席科學家、之江實驗室計算天文首席科學家李菂點評指出，宇宙從來不是寂靜無聲的，隨著現代天文學特別是射電天文的發展，可通過射電望遠鏡捕捉到巨量且豐富的宇宙信號。射電望遠鏡和手機接收信號的基本原理一致，都需要在時域高速采樣，從而產生海量數據。進一步深度融合高速發展的計算科學前沿和射電天文探索將能揭示包括黑洞在內的宇宙神秘現象的本質。隨著數據的不斷積累，之江實驗室正在將人工智能、云計算等技術引入到天文研究，提高數據處理效率、擴大探究物理參數的空間。

　　國際科研團隊表示，本項開創性研究體現出國際合作對解開宇宙奧秘的重要性。“在我們為這一里程碑慶祝之后，探索這些神秘的超大質量黑洞的旅程仍在繼續，讓我們一步步地揭開宇宙的更多奧秘”。(完)