验证超大质量黑洞的旋转——爱因斯坦广义相对论大放异彩

银河M87 黑洞 它显示了一个振荡喷流，证实了它的旋转，这是一项长达两年的研究得出的结论，该研究与爱因斯坦广义相对论的预测相一致。

附近的射电星系M87距离地球5500万光年，包含一个比太阳大65亿倍的黑洞，它显示出上下振荡的振荡流，振幅约为10度，证实了黑洞的存在洞。 包裹。

该研究由中国研究员 Yuzhou Cui 博士领导，发表在 自然 9月27日，一个国际团队利用全球射电望远镜网络进行了这项研究。

通过对 2000 年至 2022 年望远镜数据的广泛分析，研究小组揭示了喷气机底部进动的 11 年循环周期，正如爱因斯坦广义相对论所预测的那样。 该研究将流动动力学与中心超大质量黑洞联系起来，提供了 M87 中的黑洞正在旋转的证据。

超大质量黑洞现象

位于活跃星系中心的超大质量黑洞——我们宇宙中最不稳定的天体——由于其非凡的引力和万有引力，可以积累大量的物质。 等离子体 这些流出物被称为喷流，其速度接近光速并延伸数千光年。

一个多世纪以来，超大质量黑洞与其吸积盘和相对论性喷流之间的能量传递机制一直困扰着物理学家和天文学家。 流行的理论表明，可以从旋转的黑洞中提取能量，从而使超大质量黑洞周围的一些物质能够以大量能量喷射出来。 然而，超大质量黑洞的自旋是这一过程的关键因素，也是除黑洞质量之外最重要的参数，但尚未被直接观测到。

顶部面板：基于 2013 年至 2018 年观察到的半年堆积数据的 43 GHz 下的 M87 射流结构。白色箭头表示每个子图中的射流位置角度。 底部面板：基于 2000 年至 2022 年每年叠加图像的最佳拟合结果。绿点和蓝点分别是从 22 GHz 和 43 GHz 的观测中获得的。 红线代表根据主动模型的最佳拟合。 图片来源：崔宇洲等人，2023

聚焦M87

在这项研究中，研究小组重点关注了 M87，这里于 1918 年观测到了第一个观测天体物理喷流。由于其距离较近，可以使用超长基线干涉测量法 (VLBI) 详细解析黑洞附近的喷流形成区域。 它也通过使用事件视界望远镜（EHT）对现代黑洞阴影进行成像来体现。 通过分析过去 23 年从 M87 获取的 VLBI 数据，该团队在其底部检测到了周期性前驱喷流，从而深入了解了中心黑洞的状态。

黑洞动力学和相对论

这一发现的核心在于一个关键问题：宇宙中什么力量可以改变如此强大的射流的方向？ 答案可能隐藏在吸积盘的行为中，吸积盘是一种与中心超大质量黑洞相关的结构。

当下落的物质由于其角动量而绕黑洞运行时，它会形成一个盘状结构，然后逐渐向内螺旋，直到被命运地拉入黑洞。 然而，如果黑洞正在旋转，它会对周围的时空产生重大影响，导致附近的物体沿着其旋转轴被拉动，这种现象被称为“框架阻力”，这是爱因斯坦广义相对论所预测的。

研究小组综合分析认为，吸积盘的旋转轴偏离了黑洞的旋转轴，导致了预喷流。 对这一运动的探测提供了明确的证据，证明 M87 中的超大质量黑洞确实在旋转，增强了我们对超大质量黑洞本质的理解。

“我们对这一重要结果感到高兴，”该研究的主要作者、杭州研究机构之江实验室的博士后研究员崔宇洲说。 “由于黑洞与圆盘之间的错位相对较小，且进动周期约为11年，因此需要二十年来跟踪M87结构的高分辨率数据收集和综合分析才能获得这一突破。”

日本国家天文台的 Kazuhiro Hada 博士补充道：“在利用 EHT 成功对这个星系中的黑洞进行成像之后，这个黑洞是否在旋转已经成为科学家们关注的一个主要问题。” “现在预期已经变成了确定。这个巨大的黑洞已经在旋转了。”

未来的贡献和影响

这项工作利用了东亚 VLBI 网络 (EAVN)、甚长基线阵列 (VLBA)、KVN 和 VERA 联合阵列 (KaVA) 以及全球东亚至意大利获得的总共 170 个历元的观测数据（吃）网络。 总共有来自世界各地的 20 多台望远镜参与了这项研究。

中国的射电望远镜也为该项目做出了贡献，其中包括中国65米天马射电望远镜，其巨大的碟形天线和对毫米波长的高灵敏度。 此外，新疆的26米射电望远镜提高了EAVN观测的角分辨率。 具有高灵敏度和高角分辨率的高质量数据对于获得这一成就至关重要。

“上海天文台的40米日喀则射电望远镜将提高EAVN的毫米波成像能力。特别是该望远镜所在的青藏高原，拥有进行（亚毫米）波长观测的最佳场地条件之一，中国科学院上海天文台台长陈志强教授表示：“这符合我们加强国内天文观测设施的期望。”

虽然这项研究揭示了超大质量黑洞的神秘世界，但它也提出了巨大的挑战。 吸积盘的结构和 M87 超大质量黑洞的确切自旋在很大程度上仍然不确定。 这项工作还预测将会有更多具有这种配置的来源，这对科学家的发现提出了挑战。

参考文献：“M87 中连接旋转黑洞的喷嘴”作者：Yucho Kuei、Kazuhiro Hada、Tomohisa Kawashima、Motoki Kino、Weikang Lin、Yusuke Mizuno、Hyunwook Ru、Markei Honma、Kono Yi、Jintao Yu、Jongho Park、Wu Jiang、陈志强、Evgenia Kravchenko、Juan Carlos Algaba、Xiaoping Cheng、Eli Zhou、Gabriele Giovannini、Marcello Giroletti、Taehyun Jung、Ru Sin Lu、Kotaro Ninuma、Jungwan Oh、Ken Ohsuga、Satoko Sawada Satoh、Bong Won Son、Hiroyuki R高桥、Meeko Takamura、Fumi Tazaki、Sasha Tripp、Kiyoaki Wajima、Kazunori Akiyama、Tao An、Keiichi Asada、Salvatore Botaccio、Do Young-byun、Lang Kui、Yoshiaki Hagiwara、Tomoya Hirota、Jeffrey Hodgson、Noriyuki Kawaguchi、Jae-Young Kim、Sang Song Lee、Ji-Won Lee、Jeong-Ee Lee、Giuseppe Maccaferri、Andrea Melis、Alexey Melnikov、Carlo Migoni、Si-Jin Oh、Koichiro Sugiyama、Xuezheng Wang、Yingkang 张、Zhong Chen、Jo-Yun Hwang、 Dong-Kyu Jung、Heo-Ryung Kim、Jeong Suk Kim、Hideyuki Kobayashi、Bin Li、Guangwei Li、Xiaofei Li、Xiong Liu、Qinghui Liu、Xiang Liu、Chung Sik Oh、Tomoaki Aoyama、Duke Jiu Ruo、Jinqing Wang、Na Wang、Xiqiang Wang、Bo Xia、Hao Yan、Jae-hwan Yum、Yoshinori Yonekura、Jianping Yuan、Hua Zhang、Rongping Zhao 和 Yizhong，2023 年 9 月 27 日， 自然。
号码：10.1038/s41586-023-06479-6