之江实验室科学家完美捕捉M87黑洞喷流周期性进动

发布时间：2023-09-28 14:01:06 所属栏目：动态来源：网络

导读： 　　最新研究报告显示，一个国际科研团队（包含 45 个不同机构和成员）在《自然》杂志上共同发表了一项重大发现。通过分析2000年至2022年期间的观测数据，发现M87星系中心黑洞喷流呈现周期

　　最新研究报告显示，一个国际科研团队（包含 45 个不同机构和成员）在《自然》杂志上共同发表了一项重大发现。通过分析2000年至2022年期间的观测数据，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，会导致参考系拖曳效应”的预测。这项研究成果为M87黑洞自旋的存在提供了有力观测证据。之江实验室博士后崔玉竹为论文第一作者兼通讯作者。

　　2019年4月10日，全球多地天文学家同步公布了首张黑洞照片。它位于距离地球5500万光年的近邻星系M87星系中心，质量比太阳大65亿倍。这样的超大质量黑洞，是宇宙中最神秘且最具破坏性的天体之一。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高速“吐出”到数千光年以外，形成喷流。

　　“一束奇怪的直射线，从一片朦胧的光斑中心发出”。1918年，天文学家首次观测到M87中的喷流，这也是人类观测到的第一个宇宙喷流。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？这个问题困扰了物理学家和天文学家一个多世纪。

　　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。利用具有超高分辨率的甚长基线干涉测量技术（Very Long Baseline Interferometry，VLBI），天文学家解析出非常靠近黑洞的喷流结构。科研人员通过分析2000年至2022年期间VLBI观测数据，成功地捕捉到M87中喷流的周期性进动（图2）（进动precession：一个自转的刚体受外力作用导致其自转轴绕某一中心的旋转现象）。

　　到底是什么力量可以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，它们受黑洞的引力会不断的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“参考系拖曳效应”，进而引发吸积盘和喷流周期性的进动。

　　研究团队基于长期的观测结果进行了大量深入细致的理论问题调研和有关性分析，并结合M87天然气水合物的性质，使用超级计算机进行了最新的数值模拟。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。

　　“非常感谢众多合作者的帮助和支持，以及期刊编辑和评审的宝贵意见。值得一提的是，我们文章的审稿人之一是VLBI射电天文研究领域的传奇人物James Moran。”崔玉竹说道。

　　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（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观测网络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做出了贡献。

　　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，我们最终揭示了这一科学奥秘。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。”

　　“基于这项工作，我们预测还有更多的星系中心黑洞具有类似的倾斜的吸积盘结构，但如何探测到更多具有倾斜盘的天体面临更大的挑战。还有很多谜团需要更多的长期观测和更加详细的分析。”本次成果的重要合作单位、中国科学院上海天文台沈志强研究员表示，“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，有望催生更多天文发现。”

　　崔玉竹表示，吸积盘的精细的结构和M87超大质量黑洞的自旋精确值仍待进一步研究。而这进一步的研究，有赖于非常大量的物理参数的搜索，需要超强的智能计算算力的支撑。

　　当前，之江实验室已搭建起FAST@ZJLAB智能计算天文开放平台，汇聚了17种智能算法，在快速射电暴、天体化学等领域构建了BlinkVerse「blinkverse.alkaidos.cn」、ChemiVerse等科学数据库，并与中国天眼FAST建立了稳定的传输通道，天文大数据持续汇聚中。在大数据时代，人工智能技术的发展将推动数据价值的释放，为人类社会带来巨大的变革。

（编辑：温州站长网）

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