由来自全球45个研究机构的科研人员组成的国际科研团队通过分析多个甚长基线干涉测量（VLBI）网在2000年至2022年的观测数据，发现M87星系中心黑洞喷流呈现周期性摆动，摆动周期约为11年，振幅约为10度。这一现象符合爱因斯坦的广义相对论关于“如果黑洞处于旋转状态，会存在拖曳效应”的预测。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超大质量黑洞的状态联系起来，为M87黑洞自旋的存在提供了有力的观测证据。相关研究成果于北京时间9月27日在《自然》杂志上发表。
本项研究成果的倾斜吸积盘模型的示意图。之江实验室博士后崔玉竹等供图
专家介绍，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。
科研人员针对M87星系中心超大质量黑洞及其喷流进行了研究，通过分析最近23年来的VLBI观测数据，成功地捕捉到M87中喷流的周期性进动。
经过大量的分析，研究团队推断问题的答案可能就隐藏在吸积盘的动力学性质中：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曳，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。
上图：2013年至2018年期间每两年合并后的M87喷流结构（观测频段为43 GHz）。对应的年份显示在左上角。白色箭头指示了每个子图中的喷流位置角度。下图：基于2000年至2022年以一年为单位合并的图像得出的最佳拟合结果。受访对象供图
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M87性质的数值模拟。其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，会因参考系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，带来对超大质量黑洞性质的新认知。
论文第一作者兼通讯作者，之江实验室博士后、研究人员崔玉竹表示：“我们很开心也很幸运能有这一重大发现。由于黑洞自旋轴与吸积盘角动量之间的夹角较小、进动周期又超过十年，因此积累超两个周期的高分辨率数据，并对M87结构的仔细分析，这些都是获得这一成果的必要条件。”
“现在，我们的成果从观测上进一步肯定了以往的预期，这个饕餮般的黑洞确实在自旋。”日本国立天文台的Kazuhiro Hada博士补充说。
据悉，这项工作使用了包括东亚VLBI网（EAVN）、美国的甚长基线阵列、韩国KVN和日本VERA联合阵列以及东亚到意大利/俄罗斯联合的EATING观测网在内的多个国际观测网络的170个观测数据，全球超过20个射电望远镜为这项研究作出了贡献。
“近年来的科学发现，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。”中国科学院上海天文台沈志强研究员强调，近期开工建设的上海天文台日喀则40米射电望远镜，建成后将进一步提升EAVN的高分辨率毫米波成像观测能力。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，他们希望借此推动发展中国亚毫米波天文观测。
“射电望远镜和手机接收信号的基本原理一致，都需要在时域高速采样，从而产生海量的数据。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。”中国科学院国家天文台研究员、“中国天眼”（500米口径球面射电望远镜，FAST）首席科学家、之江实验室计算天文首席科学家李菂点评说。随着数据的不断积累，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，提高数据处理效率、扩大探究物理参数的空间。
