上海天文台的天马望远镜揭示M87黑洞确实在自旋

2023年9月27日，上海天文台的天马望远镜园区召开了一场关于M87黑洞新进展的媒体发布会，记者从中获得了重要信息。这一重大科学发现由中国科学家领导的国际科研团队取得，他们通过对2000年至2022年期间的多个甚长基线干涉测量（VLBI）网的观测数据进行分析，发现了M87星系中心黑洞喷流呈现出周期性摆动，其周期约为11年，振幅约为10度。这一现象与爱因斯坦的广义相对论中的“参考系拖曳效应”假设相符，为黑洞自旋提供了强有力的观测证据。

这项研究成果成功地将M87星系中心黑洞喷流的动力学与该星系中心的超大质量黑洞状态联系在一起，为黑洞自旋的存在提供了有力的观测证据。这一发现于北京时间2023年9月27日在国际顶级期刊《自然》（Nature）上正式发表，标志着一项来自10个国家、45个机构的79位科学家国际大合作的重要成果。

黑洞一直是宇宙中最具破坏性和最神秘的物体之一。它们以巨大的引力吸收物质，并以接近光速的速度将物质喷射到遥远的地方。关于超大质量黑洞、吸积盘和喷流之间的能量传输机制，科学家们已经探讨了一个多世纪。目前，广泛接受的理论认为黑洞的角动量是能量来源之一，其中之一可能是与黑洞旋转状态有关的磁场效应。然而，黑洞的自旋参数难以测量，直到现在还没有直接的观测证据来确定黑洞是否处于旋转状态。

崔玉竹博士，论文的第一作者和通讯作者之一，表示对这一重大发现感到非常幸运和开心。由于黑洞自旋轴与吸积盘角动量之间的夹角较小，且进动周期超过十年，这项研究需要积累超过两个周期的高分辨率数据以及对M87结构的仔细分析。

秦和弘博士，日本国立天文台的科学家，补充说：“在拍摄到M87星系中的黑洞照片之后，科学家们一直关心的核心问题之一是这个黑洞是否自旋。现在，我们的研究从观测上进一步确认了以前的理论预测，即这个黑洞确实在自旋！”

研究团队不仅进行了观测，还进行了大量的理论研究和数值模拟。结果表明，当吸积盘的旋转轴与黑洞的自旋轴之间存在夹角时，会因参考系拖曳效应导致整个吸积盘的进动，喷流也会受到吸积盘的影响而发生进动。这一喷流进动的观测结果为M87中心黑洞的自旋提供了强有力的证据，有助于深化我们对超大质量黑洞性质的理解。

这项研究利用了来自多个国际观测网络的170个观测数据，包括东亚VLBI网（EAVN）、美国的甚长基线阵列（VLBA）、韩国KVN和日本VERA联合阵列（KaVA），以及东亚到意大利/俄罗斯联合的EATING观测网。全球超过20个射电望远镜为这项研究做出了贡献。在其中，中国科学院上海天文台的65米天马望远镜和新疆天文台南山26米射电望远镜在提高观测灵敏度和角分辨率方面发挥了重要作用。上海天文台天马望远镜是亚洲最大的65米口径全方位可动大型射电天文望远镜系统，自2012年投入使用以来，为多个科研任务做出了巨大贡献。

沈志强研究员表示，未来还有更多的星系中心黑洞可能具有类似的倾斜吸积盘结构，如何探测这些黑洞将是一项重大挑战。这一重大发现充分展示了毫米波VLBI技术在研究超大质量黑洞和探索宇宙奥秘方面的独特优势。上海天文台日喀则40米射电望远镜的建设将进一步提高EAVN的高分辨率毫米波成像观测能力，并有望推动中国亚毫米波天文观测的发展。