是谁让M87*黑洞喷流不停摇摆？

全球首张黑洞照片的主角——M87星系中心黑洞最近又有新消息。来自全球45个研究机构，79位研究人员，动用全球20多台射电望远镜，使用了23年间170个观测数据，揭示出M87星系中心黑洞的喷流存在周期性摆动现象，从而首次获得黑洞自旋的直接证据，并证实了广义相对论所预言的“参考系拖曳效应”。这项成果发表在9月27日的《自然》杂志(Nature)上。

2013年至2020年期间每两年合并后的M87喷流结构。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） | Yuzhu Cui et al. 2023

M87星系中心黑洞 | EHT collaboration

相对论的预言

广义相对论最核心的内容就是描述了质量与时空之间的关系。按照一句很知名又很文艺的话来说：物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。由此出发还能推出不少相关结论，也被广泛地称为广义相对论的预言。例如：宇宙中存在黑洞这种时空怪兽;天体的加速运动会产生引力波;经过强引力场的时钟会变慢等等。还有一项被认为验证难度超级高的预言，名叫参考系拖曳效应(Frame-dragging)。由于最早由澳大利亚物理学家约瑟夫·伦塞(Joseph Lense)和汉斯·西凌(Hans Thirring)于1918年推导出来，因此也被称为“伦塞-西凌效应”(或音译为“冷泽-提尔苓效应”)。

参考系拖曳效应示意图 | Annie Rosen

根据广义相对论，天体自转时会拽着周围的时空一起旋转。你可以做这样的小实验来想象一下时空被拖曳的效果——棉花糖蘸巧克力酱的时候，捏着棉花糖的棍子，让棉花糖在巧克力酱里原地转几个圈，看看棉花糖周围的巧克力酱是不是会跟着一起转动。(当然仅仅是个可视化的比拟，实际上根本不是一回事。)

根据理论预言，如果黑洞的喷流和吸积盘(两者基本相互垂直)与黑洞的自旋轴存在一定的夹角，那么由于存在参考系拖曳效应，黑洞的喷流会绕着黑洞的自旋轴转动，这种现象在物理上被叫做“进动”。其实我们大家对进动都不太陌生。当一个陀螺在高速转动时，当转动轴与地面存在一个夹角，陀螺的自旋轴就会不由自主地绕着一个看不见的轴旋转。只不过，与陀螺的进动不同的是，参考系拖曳效应产生的进动，其本质是惯性带动时空的畸变。

陀螺的进动现象 | Wikipedia

微弱的效应

遗憾的是，和引力波相似，参考系拖曳效应非常微弱。1976年，范佩顿(Van Patten)和埃弗里特(Everitt)就提出发射一颗与地球自转方向相反的卫星来测量这个效应。1996年，LAGEOS 卫星和 LAEOS II 卫星开展了相关的观测，但是测量结果有很大争议。2004年，斯坦福大学和美国航天局发射了“引力探针”探测器(Gravity Probe B)，试图揭开这个谜。2007年研究团队发布了成果，然而有研究人员认为探测器的误差不太可能降低到探测所需的水平。直到2011年，研究团队发布最终报告，声称“引力探针”探测到了拖曳效应。可见，地球所能提供的拖曳效应极其微弱。

Gravity Probe B 卫星 | Gravity Probe B Team, Stanford, NASA

2020年，澳大利亚天文学家克里希南(Krishnan)领衔的一个国际研究团队通过测量一颗处于双星系统的脉冲星 PSR J1141-6545 (自转周期约 394 ms，以 4.74 小时的周期绕一颗大质量白矮星运动)探测到了微小的进动现象，他们认为这是拖曳效应的表现。

PSRJ1141-6545 所在双星系统示意图 | Dr. Amira Val Baker, Resonance Science Research Scientist

喷流在摇摆

毫无疑问，越致密的天体，引力场的拖曳效应一定越显著，而M87星系中心恰恰是一个 65 亿倍太阳质量的巨大黑洞，比地球、中子星强太多了。2019年，黑洞照片首次呈现在世人面前，除了震撼，天文学家们还在考虑，黑洞是否处于旋转状态——宇宙中所有的天体应该都有自转——我们是否能观测到黑洞自旋呢?要知道，黑洞的自旋是描述黑洞的仅有的三个物理量之一。

M87星系中心黑洞拥有长约5000光年的喷流 | NASA, ESA, HST

之江实验室博士后研究人员崔玉竹在处理2017年3月的数据时，敏锐地发现 M87 星系中心黑洞喷流的指向与以往略有不同。一个简单的好奇心促成了一项长达 6 年的“数据挖掘”。最终，有来自全球的45个研究机构的79位研究人员参与其中。他们分析了 20 多台射电望远镜最近 23 年来的甚长基线干涉测量(VLBI)得到的数据170个观测数据，惊奇地发现 M87 星系中心黑洞的喷流存在着振幅约 10°的摆动，周期约为 11 年。看上去10°已经不小了，但由于它距离我们十分遥远，落到天空中，望远镜所能看到的区域区区0.3毫角秒（1角秒=1/3600度，1毫角秒=1/1000角秒）。

M87*喷流的指向随时间摆动 | Yuzhu Cui et al. 2023

这个摆动至少说明了两个问题，一是喷流的方向与自旋轴存在一定的夹角——这是很容易理解的，因为没有夹角，我们也无法观察到喷流在摆动，除非整个黑洞都在摇摆(这画面不敢想)。另一方面，说明喷流存在进动的现象，而喷流的进动是由黑洞自旋，以及由自旋产生的参考系拖曳效应所导致的。这是迄今为止对黑洞自旋最直接的观测证据，也是对参考系拖曳效应最显著的观测证据!

M87黑洞吸积盘/喷流与自旋轴夹角示意图 | Yuzhu Cui et al. 2023, Intouchable Lab@Openverse, 之江实验室

M87黑洞吸积盘进动3D示意视频 | Yuzhu Cui et al. 2023, Intouchable Lab@Openverse, 之江实验室

全球通力合作

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/俄罗斯联合组成的EATING观测网在内的多个国际观测网络，涉及到的射电望远镜数量超过了 20 台。

东亚VLBI网(EAVN)中参加了此论文的望远镜分布 | Yuzhu Cui et al. 2023, Intouchable Lab@Openverse, 之江实验室

在项目进行过程中，国内的多家单位深度合作。其中，中国科学院上海天文台65米天马望远镜和新疆天文台南山26米射电望远镜自2017年起就持续参与EAVN观测，分别在提高观测灵敏度和角分辨率上发挥了重要作用。云南大学中国西南天文研究所的副研究员林伟康、上海交通大学李政道研究所Yosuke Mizuno副教授、中国人民解放军空军预警学院俞锦涛博士、中国科学院上海天文台江悟副研究员和新疆天文台崔朗研究员等在数据分析处理和理论模型对比解释中做出了重要贡献。

这是一项具有重要意义的研究工作，也是一项具有开创性的工作，为进一步理解超大质量黑洞，进一步理解广义相对论提供了重要依据。同时也再次证明毫米波VLBI技术在研究超大质量黑洞和探索宇宙奥秘中的独特优势。这也为未来进一步提升高分辨率毫米波成像观测能力，以及推动发展中国亚毫米波天文观测增添了信心。

作者：水兄

参考文献

[1] Yuzhu Cui et al. Nature volume 621, pages711–715 (2023) (DOI:10.1038/s41586-023-06479-6)[2]

Frame-Dragging Caught in Action (resonancescience.org)[3] Gravity Probe B - Wikipedia[4] Krishnanet al., Science 367, 577–580 (2020)

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