由45个机构组成的国际科研团队通过分析在2000年至2022年的甚长基线干涉测量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）观测数据，发现M87星系中心黑洞喷流呈现周期性摆动现象，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，会导致参考系拖曳效应”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观测证据（图1）。这项研究于北京时间2023年9月27日发表在《自然》（Nature）上。

图1，倾斜吸积盘模型的示意图。假设黑洞的自旋轴竖直向上，喷流的方向几乎垂直于吸积盘的盘面，黑洞自旋轴和吸积盘旋转轴之间的存在一定夹角，即为倾斜的吸积盘模型。黑洞和吸积盘的角动量方向存在的夹角会触发吸积盘和喷流的进动。（来源：Yuzhu Cui et al. 2023、Intouchable Lab@Openverse和之江实验室）

　　这项工作使用了包括东亚VLBI网（EAVN）、美国的甚长基线阵列（VLBA）、韩国KVN与日本VERA构成的联合阵列（KaVA）以及由EAVN和意大利、俄罗斯望远镜联合组成的EATING观测网在内的多个国际VLBI观测网络的170组观测数据，全球超过20个射电望远镜为这项研究做出了贡献。

　　中国科学院新疆天文台作为EAVN的四个创始成员单位之一，运行的南山26米射电望远镜地处欧亚大陆腹地（见图2），地理位置独特、观测环境优良，从2017年开始参加EAVN的联合观测，为EAVN 22 GHz频段的观测提供了最长的干涉基线，是EAVN空间分辨率提升的关键因素，为此次M87超大质量黑洞喷流进动的解析发挥了重要作用。

图2 在此次研究突破中发挥重要作用的东亚VLBI网（EAVN）成员望远镜以及参与观测的意大利、俄罗斯望远镜的区位分布图，其中红色圆圈标出了新疆天文台南山26米射电望远镜的地理位置。南山26米射电望远镜参加国际VLBI联测时，可以弥补中亚地区射电望远镜的空白，在欧洲望远镜和东亚望远镜中间起到接力观测的作用。

　　活跃星系中心的超大质量黑洞，是宇宙中最具破坏性且最神秘的天体之一。它们引力巨大，通过吸积盘“吃进”大量物质，同时也将物质以接近光速的超高速度 “吐出”到数千光年以外。然而，超大质量黑洞、吸积盘和喷流之间的能量传输机制是怎样的？这是一个困扰了物理学家和天文学家一个多世纪的难题。目前，科学家们广泛接受的理论认为，黑洞的角动量是能量的来源，一种可能是如果黑洞附近存在磁场且黑洞处于旋转状态，会如导体切割磁力线一般产生电场，从而加速黑洞周围的等离子体，最终部分物质会携带巨大的能量被喷射出去。其中，超大质量黑洞的自旋，是这一理论的关键因素。但黑洞自旋参数极难测量，甚至黑洞是否处于旋转状态至今尚没有直接的观测证据。

　　为了研究这个具有挑战性的问题，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。M87星系是一个距离地球5500万光年的近邻星系，其中心有一个质量比太阳大65亿倍的黑洞，天文学家在1918年首次了观测到M87中的喷流，这也是人类观测到的第一个宇宙喷流现象。这些特征让M87星系成为了天文学家研究黑洞与喷流之间关系的最佳目标源，天文学家能够利用具有超高角分辨率的VLBI技术解析出非常靠近黑洞的喷流结构。科研人员通过分析最近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（图3）。

图3. 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喷流轴线的指向（表征不同的喷流位置角）。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。绿色点和蓝色点分别来自22 GHz和43 GHz的观测频段的数据。红线表示根据进动模型的最佳拟合结果。（来源：Yuzhu Cui et al. 2023）

　　宇宙中到底有什么力量可以很有规律地改变这一能量巨大的喷流的方向？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，由于黑洞的引力它们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，即爱因斯坦广义相对论预测的“参考系拖曳效应”，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，并结合人们对M87的最新认知使用超级计算机进行了数值模拟。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、之江实验室的博士后研究员崔玉竹表示：“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，积累超两个周期的高分辨率数据，并对M87结构的仔细分析，都是获得这一成果的必要条件。”

　　日本国立天文台的Kazuhiro Hada博士补充说：“继使用事件视界望远镜（Event Horizon Telescope, EHT）拍摄到M87星系中的黑洞照片后，这个黑洞是否存在自旋就一直是科学家们关注的最核心问题。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。”

　　EAVN有关活动星系核的科学工作组协调员、日本工学院大学的Motoki Kino博士表示：“这是一个令人兴奋的科学里程碑，多亏了来自世界各地45个机构的研究人员多年的共同观测和合作，我们最终揭示了这一科学奥秘。我们的观测数据与进动模型的预测完美契合，大大推动了我们对黑洞和喷流系统的理解。”

　　论文合作者、新疆天文台南山观测站站长崔朗博士指出：“虽然本次研究成果揭示了超大质量黑洞的更多信息和性质，但天文学家们还正在面临更多艰巨的挑战，比如如何探测到更多具有倾斜吸积盘的目标源、如何解析吸积盘的精细结构、如何精确测量超大质量黑洞的自旋值等等，仍是亟待解决的基本问题。新疆天文台正在国际一流天文台址奇台观测站建设110米口径全向可动射电望远镜（QTT），建成运行后加入国际VLBI观测网络，有望为这一领域更多新的突破带来契机”。

崔朗，中国科学院新疆天文台，cuilang@xao.ac.cn