全球首張黑洞照片的主角——M87星系中心黑洞最近又有新消息。來自全球45個研究機構，79位研究人員，動用全球20多台射電望遠鏡，使用了23年間170個觀測數據，揭示出M87星系中心黑洞的噴流存在周期性擺動現象，從而首次獲得黑洞自旋的直接證據，並證實了廣義相對論所預言的「參考系拖曳效應」。這項成果發表在9月27日的《自然》雜誌(Nature)上。
2013年至2020年期間每兩年合併後的M87噴流結構。白色箭頭指示了每個子圖中噴流軸線的指向（表征不同的噴流位置角） | Yuzhu Cui et al. 2023
M87星系中心黑洞 | EHT collaboration
相對論的預言
廣義相對論最核心的內容就是描述了質量與時空之間的關係。按照一句很知名又很文藝的話來說：物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何運動。由此出發還能推出不少相關結論，也被廣泛地稱為廣義相對論的預言。例如：宇宙中存在黑洞這種時空怪獸;天體的加速運動會產生引力波;經過強引力場的時鐘會變慢等等。還有一項被認為驗證難度超級高的預言，名叫參考系拖曳效應(Frame-dragging)。由於最早由澳大利亞物理學家約瑟夫·倫塞(Joseph Lense)和漢斯·西凌(Hans Thirring)於1918年推導出來，因此也被稱為「倫塞-西凌效應」(或音譯為「冷澤-提爾苓效應」)。
參考系拖曳效應示意圖 | Annie Rosen
根據廣義相對論，天體自轉時會拽著周圍的時空一起旋轉。你可以做這樣的小實驗來想像一下時空被拖曳的效果——棉花糖蘸巧克力醬的時候，捏著棉花糖的棍子，讓棉花糖在巧克力醬里原地轉幾個圈，看看棉花糖周圍的巧克力醬是不是會跟著一起轉動。(當然僅僅是個可視化的比擬，實際上根本不是一回事。)
根據理論預言，如果黑洞的噴流和吸積盤(兩者基本相互垂直)與黑洞的自旋軸存在一定的夾角，那麼由於存在參考系拖曳效應，黑洞的噴流會繞著黑洞的自旋軸轉動，這種現象在物理上被叫做「進動」。其實我們大家對進動都不太陌生。當一個陀螺在高速轉動時，當轉動軸與地面存在一個夾角，陀螺的自旋軸就會不由自主地繞著一個看不見的軸旋轉。只不過，與陀螺的進動不同的是，參考系拖曳效應產生的進動，其本質是慣性帶動時空的畸變。
陀螺的進動現象 | Wikipedia
微弱的效應
遺憾的是，和引力波相似，參考系拖曳效應非常微弱。1976年，范佩頓(Van Patten)和埃弗里特(Everitt)就提出發射一顆與地球自轉方向相反的衛星來測量這個效應。1996年，LAGEOS 衛星和 LAEOS II 衛星開展了相關的觀測，但是測量結果有很大爭議。2004年，史丹福大學和美國航天局發射了「引力探針」探測器(Gravity Probe B)，試圖揭開這個謎。2007年研究團隊發布了成果，然而有研究人員認為探測器的誤差不太可能降低到探測所需的水平。直到2011年，研究團隊發布最終報告，聲稱「引力探針」探測到了拖曳效應。可見，地球所能提供的拖曳效應極其微弱。
Gravity Probe B 衛星 | Gravity Probe B Team, Stanford, NASA
2020年，澳大利亞天文學家克里希南(Krishnan)領銜的一個國際研究團隊通過測量一顆處於雙星系統的脈衝星 PSR J1141-6545 (自轉周期約 394 ms，以 4.74 小時的周期繞一顆大質量白矮星運動)探測到了微小的進動現象，他們認為這是拖曳效應的表現。
PSRJ1141-6545 所在雙星系統示意圖 | Dr. Amira Val Baker, Resonance Science Research Scientist
噴流在搖擺
毫無疑問，越緻密的天體，引力場的拖曳效應一定越顯著，而M87星系中心恰恰是一個 65 億倍太陽質量的巨大黑洞，比地球、中子星強太多了。2019年，黑洞照片首次呈現在世人面前，除了震撼，天文學家們還在考慮，黑洞是否處於旋轉狀態——宇宙中所有的天體應該都有自轉——我們是否能觀測到黑洞自旋呢?要知道，黑洞的自旋是描述黑洞的僅有的三個物理量之一。
M87星系中心黑洞擁有長約5000光年的噴流 | NASA, ESA, HST
之江實驗室博士後研究人員崔玉竹在處理2017年3月的數據時，敏銳地發現 M87 星系中心黑洞噴流的指向與以往略有不同。一個簡單的好奇心促成了一項長達 6 年的「數據挖掘」。最終，有來自全球的45個研究機構的79 位研究人員參與其中。他們分析了 20 多台射電望遠鏡最近 23 年來的甚長基線干涉測量(VLBI)得到的數據 170 個觀測數據，驚奇地發現 M87 星系中心黑洞的噴流存在著振幅約 10° 的擺動，周期約為 11 年。看上去10°已經不小了，但由於它距離我們十分遙遠，落到天空中，望遠鏡所能看到的區域區區0.3毫角秒（1角秒=1/3600度，1毫角秒=1/1000角秒）。
M87*噴流的指向隨時間擺動 | Yuzhu Cui et al. 2023
這個擺動至少說明了兩個問題，一是噴流的方向與自旋軸存在一定的夾角——這是很容易理解的，因為沒有夾角，我們也無法觀察到噴流在擺動，除非整個黑洞都在搖擺(這畫面不敢想)。另一方面，說明噴流存在進動的現象，而噴流的進動是由黑洞自旋，以及由自旋產生的參考系拖曳效應所導致的。這是迄今為止對黑洞自旋最直接的觀測證據，也是對參考系拖曳效應最顯著的觀測證據!
M87黑洞吸積盤/噴流與自旋軸夾角示意圖 | Yuzhu Cui et al. 2023, Intouchable Lab@Openverse, 之江實驗室
M87黑洞吸積盤進動3D示意視頻 | Yuzhu Cui et al. 2023, Intouchable Lab@Openverse, 之江實驗室
全球通力合作
這項工作使用了包括東亞VLBI網(EAVN)、美國的甚長基線陣列(VLBA)、韓國KVN和日本VERA聯合陣列(KaVA)以及東亞到義大利/俄羅斯聯合組成的 EATING觀測網在內的多個國際觀測網絡，涉及到的射電望遠鏡數量超過了 20 台。
東亞VLBI網(EAVN)中參加了此論文的望遠鏡分布 | Yuzhu Cui et al. 2023, Intouchable Lab@Openverse, 之江實驗室
在項目進行過程中，國內的多家單位深度合作。其中，中國科學院上海天文台65米天馬望遠鏡和新疆天文台南山26米射電望遠鏡自2017年起就持續參與EAVN觀測，分別在提高觀測靈敏度和角解析度上發揮了重要作用。雲南大學中國西南天文研究所的副研究員林偉康、上海交通大學李政道研究所Yosuke Mizuno副教授、中國人民解放軍空軍預警學院俞錦濤博士、中國科學院上海天文台江悟副研究員和新疆天文台崔朗研究員等在數據分析處理和理論模型對比解釋中做出了重要貢獻。
這是一項具有重要意義的研究工作，也是一項具有開創性的工作，為進一步理解超大質量黑洞，進一步理解廣義相對論提供了重要依據。同時也再次證明毫米波VLBI技術在研究超大質量黑洞和探索宇宙奧秘中的獨特優勢。這也為未來進一步提升高解析度毫米波成像觀測能力，以及推動發展中國亞毫米波天文觀測增添了信心。
作者：水兄
參考文獻
[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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