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天文重大發(fā)現(xiàn):M87星系中黑洞噴流呈周期性進動
轉(zhuǎn)狀態(tài),會存在拖曳效應”的預測。這項研究成果成功地將M87星系中心黑洞噴流的動力學與該星系中心超大質(zhì)量黑洞的狀態(tài)聯(lián)系起來,為M87黑洞自旋的存在提供了有力的觀測證據(jù)。相關研究成果于北京時間9月27日在《自然》雜志上發(fā)表。
本項研究成果的傾斜吸積盤模型的示意圖。之江實驗室博士后崔玉竹等供圖
專家介紹,如果把M87黑洞的自旋方向視為垂直于地面,那么吸積盤就如同與地面形成一定角度的陀螺螺體,而晃動的陀螺軸心則是一道長達5000光年的噴流。不同的是,陀螺運動的支點在它的下方,而吸積盤的運動中心是其中心的黑洞。
科研人員針對M87星系中心超大質(zhì)量黑洞及其噴流進行了研究,通過分析最近23年來的VLBI觀測數(shù)據(jù),成功地捕捉到M87中噴流的周期性進動。
經(jīng)過大量的分析,研究團隊推斷問題的答案可能就隱藏在吸積盤的動力學性質(zhì)中:具有一定角動量的物質(zhì)會繞著黑洞作軌道運動并形成吸積盤,它們受到黑洞的引力會不斷地靠近黑洞直到不可逆地被“吸食”到黑洞里。然而,吸積盤的角動量可受多種隨機因素影響,極有可能與黑洞自旋軸存在一定夾角。但黑洞的超強引力會對周圍的時空產(chǎn)生重大的影響,會導致附近的物體沿著黑洞的旋轉(zhuǎn)方向被拖曳,即愛因斯坦的廣義相對論預測的“拖曳效應”,進而引發(fā)吸積盤和噴流周期性的進動。
上圖:2013年至2018年期間每兩年合并后的M87噴流結構(觀測頻段為43 GHz)。對應的年份顯示在左上角。白色箭頭指示了每個子圖中的噴流位置角度。下圖:基于2000年至2022年以一年為單位合并的圖像得出的最佳擬合結果。受訪對象供圖
研究團隊基于觀測結果進行了大量細致的理論調(diào)研和分析,并使用超級計算機進行了最新的結合M87性質(zhì)的數(shù)值模擬。其結果證實了當吸積盤的旋轉(zhuǎn)軸與黑洞的自旋軸存在夾角時,會因參考系拖曳效應導致整個吸積盤的進動,而噴流受吸積盤的影響也產(chǎn)生進動。探測到噴流的進動可為M87中心黑洞的自旋提供有力的觀測證據(jù),帶來對超大質(zhì)量黑洞性質(zhì)的新認知。
論文第一作者兼通訊作者,之江實驗室博士后、研究人員崔玉竹表示:“我們很開心也很幸運能有這一重大發(fā)現(xiàn)。由于黑洞自旋軸與吸積盤角動量之間的夾角較小、進動周期又超過十年,因此積累超兩個周期的高分辨率數(shù)據(jù),并對M87結構的仔細分析,這些都是獲得這一成果的必要條件?!?/p>
“現(xiàn)在,我們的成果從觀測上進一步肯定了以往的預期,這個饕餮般的黑洞確實在自旋?!比毡緡⑻煳呐_的Kazuhiro Hada博士補充說。
據(jù)悉,這項工作使用了包括東亞VLBI網(wǎng)(EAVN)、美國的甚長基線陣列、韓國KVN和日本VERA聯(lián)合陣列以及東亞到意大利/俄羅斯聯(lián)合的EATING觀測網(wǎng)在內(nèi)的多個國際觀測網(wǎng)絡的170個觀測數(shù)據(jù),全球超過20個射電望遠鏡為這項研究作出了貢獻。
“近年來的科學發(fā)現(xiàn),已經(jīng)充分展現(xiàn)了毫米波VLBI技術在研究超大質(zhì)量黑洞和探索宇宙奧秘中的獨特優(yōu)勢。”中國科學院上海天文臺沈志強研究員強調(diào),近期開工建設的上海天文臺日喀則40米射電望遠鏡,建成后將進一步提升EAVN的高分辨率毫米波成像觀測能力。其所在的青藏高原是全球范圍內(nèi)最適合開展(亞)毫米波觀測的優(yōu)良站址區(qū)域之一,他們希望借此推動發(fā)展中國亞毫米波天文觀測。
“射電望遠鏡和手機接收信號的基本原理一致,都需要在時域高速采樣,從而產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)。進一步深度融合高速發(fā)展的計算科學前沿和射電天文探索將能揭示包括黑洞在內(nèi)的宇宙神秘現(xiàn)象的本質(zhì)?!敝袊茖W院國家天文臺研究員、“中國天眼”(500米口徑球面射電望遠鏡,F(xiàn)AST)首席科學家、之江實驗室計算天文首席科學家李菂點評說。隨著數(shù)據(jù)的不斷積累,之江實驗室正在將人工智能、云計算等技術引入到天文研究,提高數(shù)據(jù)處理效率、擴大探究物理參數(shù)的空間。
編輯:馬嘉悅