人類首次“看見”的那個黑洞 被證明確實在自旋！

在中國科學家主導、全球45個科研機構組成的國際科研團隊共同努力下，人類首次“看見”的那個黑洞M87，被證明確實在自旋，這一現象符合愛因斯坦廣義相對論的相關預測。

9月27日，相關研究成果發表在國際學術期刊《自然》（Nature）。

傾斜吸積盤模型的示意圖 科研人員製圖

人類首次“看見”的那個黑洞，位於室女座一個巨橢圓星系M87的中心，距離地球5500萬光年，品質約為太陽的65億倍。2019年，科學家首次發佈M87黑洞的圖像，此後持續開展對M87黑洞的觀測研究。

這項最新研究成果的論文第一作者兼通訊作者、之江實驗室博士後崔玉竹介紹，利用甚長基線干涉測量（VLBI）技術，科研人員在解析M87黑洞噴流結構過程中，驚奇地發現東亞VLBI網在2017年3月觀測到的M87黑洞噴流指向，與以往有所不同。緊盯這一蛛絲馬跡，通過深入分析近23年來全球多個VLBI網的觀測數據，最終發現M87黑洞噴流呈現週期性擺動，擺動週期約為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證據。

活動星系中心的超大品質黑洞，堪稱宇宙中最具破壞性的神秘天體之一。它們引力巨大，通過吸積盤“吃進”大量物質，同時又將物質以接近光速的高速“吐出來”，力量之大可以“吐到”數千光年以外。宇宙中到底有什麼力量可以改變黑洞噴流方向，使其産生週期性擺動呢？

上圖：2013年至2018年期間每兩年合併後的M87噴流結構，觀測頻段為43GHz。下圖：基於2000年至2022年以一年為單位合併的圖像得出的最佳擬合結果。科研人員製圖

在更深入的研究中，科研團隊基於觀測結果進行了大量理論調研和細緻分析，並使用超級計算機結合最新數據進行了數值模擬。結果證實：當吸積盤的旋轉軸與黑洞的自旋軸存在夾角時，會因參考係“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會産生擺動。這一現象符合愛因斯坦的廣義相對論預測的“如果黑洞處於旋轉狀態，會導致參考係拖曳效應”。

雲南大學中國西南天文研究所副研究員林偉康表示，雖然自旋是黑洞理論的基礎假設，但此前並沒有直接觀測證實。此次研究成功地將M87黑洞噴流動力學，與該星系中心超大品質黑洞狀態聯繫起來，在支撐基礎理論的同時，為進一步揭開黑洞的神秘面紗提供了關鍵要素。

甚長基線干涉測量（VLBI）技術，能將位於全球不同地點的多個射電望遠鏡聯合起來，達到一架超大望遠鏡的觀測效果。在這項最新研究中，使用了包括東亞VLBI網在內的多個國際觀測網數據，全球共有超過20個射電望遠鏡為此項研究做出了貢獻，其中包括中國科學院上海天文臺65米天馬望遠鏡和新疆天文台南山26米射電望遠鏡。

自2017年起，中國的這兩台射電望遠鏡持續參與東亞VLBI網觀測，分別在提高觀測靈敏度和角解析度上發揮了重要作用。據中國科學院上海天文臺臺長沈志強介紹，該臺已于近期在西藏日喀則開工建設一台40米射電望遠鏡，建成後將進一步提升東亞VLBI網的高解析度毫米波成像觀測能力。

中國科學院國家天文臺研究員、“中國天眼”首席科學家、之江實驗室計算天文首席科學家李菂認為，中國科學家牽頭取得的這項研究成果，離不開射電天文學與計算科學的深度融合。隨著數據不斷積累，之江實驗室正在將人工智能、雲計算等技術引入到天文領域，多學科攜手共同探索宇宙奧秘。（張建松 董雪）