M87* 黑洞正像陀螺擺晃，首發現黑洞噴流週期性進動直接證據
一項長達 2 年的研究得出與愛因斯坦廣義相對論預測一致之最新結論：M87 星系超大質量黑洞呈週期振盪性噴流，拿下黑洞自旋軸進動的直接證據。
M87* 超大質量黑洞於 2019 年聲名遠播，該星系距離地球 5,500 萬光年，質量達太陽 65 億倍，是科學家首次利用虛擬洲際望遠鏡「直接」對其陰影成像的黑洞，當然世界各地電波望遠鏡已關注這個黑洞 20 多年。
超大質量黑洞是宇宙最具破壞性天體，透過巨大引力吸積的物質會再以粒子噴流形式吐出，這種電漿流速度接近光速，可在宇宙延伸數千光年之長，然而一個多世紀以來，超大質量黑洞與吸積盤、噴流之間的能量傳遞機制一直困擾著天文物理學家。
直接證據表明 M87* 黑洞自旋
究竟宇宙中有什麼力量可規律改變巨大能量噴流的方向？經大量分析推斷，答案可能隱藏於吸積盤動力學：目前主流理論認為黑洞角動量是周圍物質重新噴出的能量來源，當黑洞附近存在磁場且黑洞處於旋轉狀態，就會如導體切割磁力線一般產生電場，從而加速黑洞周圍電漿，最終部分物質攜帶巨大能量被噴射出去。
角動量可受多種隨機因子影響，可能與黑洞自旋軸有一定夾角，而黑洞超強引力會對周圍時空產生影響，導致附近物體沿著黑洞旋轉方向被拖曳，即愛因斯坦廣義相對論預測的「參考系拖曳效應」，進而引發吸積盤和噴流週期性進動。
也就是說，黑洞自旋是上述理論關鍵因素，但這項最基本參數極難測量，甚至黑洞是否處於旋轉狀態至今都沒有直接觀測證據。
中國之江實驗室領導的國際團隊於是將研究目標鎖定在 M87* 黑洞，分析過去 23 年望遠鏡從該黑洞獲得的大量 VLBI 數據，檢測其底部進動噴流以理解黑洞狀態，結果證實了該黑洞確實在自旋，底部噴流呈週期性擺動，週期約 11 年，振幅約 10 度，或者說「噴流每 11 年改變一次 10 度左右角度」，符合愛因斯坦廣義相對論「如果黑洞處於旋轉狀態，會導致參考系拖曳效應」的預測。
▲ 長期數據表明 M87* 黑洞噴流呈週期性擺動。
由於 M87* 黑洞與吸積盤錯位相對較小，且進動週期長達 11 年，因此累積 20 多年的高解析度數據對此成果至關重要。
此外，與更年輕的黑洞相比，宇宙二代黑洞旋轉速度預計更慢，為了證實這假設，研究人員需研究不同大小黑洞的自轉速率，而最新研究可能朝此方向邁出重要一步，比如與 2019 年觀測到另一個距離地球 8,000 光年的黑洞噴流進動進行比較，後者噴流擺動時間僅幾分鐘，是天文學家迄今觀測到的最快噴流擺動。
新論文發表在《自然》（Nature）期刊。
（圖片來源：中國科學院）