初探M87中心黑洞

作者│杜恋

审核│董晨晖

编辑│赵经远

黑洞自旋艺术图│图源：Yuzhu Cui et al. 2023, Intouchable Lab@Openverse, 之江实验室

相信大家对黑洞一词并不陌生，它是现代天文学前沿最重要的天体类型之一（现代天文学领域最重大的科学问题可概括为“一黑两暗三起源”，“一黑”指黑洞，“两暗”指暗物质和暗能量，“三起源”指宇宙起源、天体起源和生命起源），许多新闻报道经常出现这一特殊天体。由于密度大，任何进入黑洞视界的物体都会被它强大的引力吸引，连光也无法逃逸。

银河系中心超大质量黑洞人马座A*│图源：EHT

常见的黑洞有两类：恒星级黑洞和超大质量黑洞。恒星级黑洞产生于大质量恒星的死亡，这些黑洞的质量通常为太阳的几倍至几十倍。而超大质量黑洞则要庞大得多，这些巨型黑洞的质量大约在数十万至数十亿倍太阳质量，它们通常位于星系中心。在我们银河系的中心就存在这样一个超大质量黑洞，名为人马座A*，它的质量大约是430万倍太阳质量。而在银河系之外的椭圆星系M87的中心，同样存在一个超大质量黑洞，名为M87*，其质量大约为太阳质量的65亿倍，这个星系拥有一个著名“景观”——中心黑洞喷流， M87*强大的引力可以吸积周围物质围绕它高速旋转形成吸积盘，同时也可以将部分物质向外发射，从而形成这条壮观的喷流。

哈勃空间望远镜拍摄的M87星系中心黑洞喷流│图源：NASA

北京时间2019年4月10日21时，包括上海天文台在内的全球多个机构，公布了人类历史上第一张高分辨率黑洞照片，毫无疑问证实了M87星系中心存在一个超大质量黑洞。这张照片是由事件视界望远镜（EHT）合作组织使用位于全球不同地区的8台射电望远镜（阵列）共同拍摄的，这些射电望远镜通过甚长基线干涉测量（VLBI）技术联合观测，等效口径相当于地球的直径。事件视界望远镜（EHT）在1.3毫米的观测波长处，能探测到的最小角直径大约是20微角秒，从地球上看，只有M87*和人马座A*的角直径大于这一数字，所以事件视界望远镜（EHT）可以拍摄到这两个星系中心超大质量黑洞的照片。下面这张照片中明亮的光环其实是M87*周围的吸积盘发出的光，被事件视界望远镜（EHT）拍摄记录下来，成为人类史上第一张高分辨率黑洞照片（确切地说，其实是黑洞视界的照片）。

M87星系中心超大质量黑洞M87*│图源：EHT

近期，以我国科学家为主导的涵盖全球45个科研机构组成的国际科研团队研究发现，M87中心黑洞正如陀螺般自旋。科研人员在东亚甚长基线干涉测量网（EAVN）的数据中，发现在2017年3月的观测数据中，M87*的喷流指向与以往不同。科研人员抓住这一现象，通过进一步分析23年里全球多个VLBI网的数据，发现M87中心黑洞喷流呈现周期性摆动，周期约为11年，振幅约为10度，由此推断M87中心黑洞存在周期性自旋，这一现象符合爱因斯坦广义相对论的预测。值得一提的是，参与了这项研究的射电望远镜包含我国上海天文台65米天马射电望远镜以及新疆天文台南山观测站26米射电望远镜，这两台射电望远镜为提高EAVN的观测灵敏度和分辨率贡献了重要力量。

M87中心黑洞喷流结构变化│图源：Yuzhu Cui et al. 2023

东亚甚长基线干涉测量网参与了此项研究的射电望远镜│图源：Yuzhu Cui et al. 2023, Intouchable Lab@Openverse, 之江实验室

虽然天文学家对M87*已经有了一些初步了解，但必定还有许多未知等待人类去探索（比如：这些质量庞大的黑洞是如何形成的？这一问题目前仍众说纷纭），期待随着科学技术的进步，使我们可以在不远的将来解开这些谜题。

参考文献

（1）王爽，宇宙奥德赛：飞向宇宙尽头，清华大学出版社，2023.1
（2）江悟、沈志强、路如森，M87黑洞“指纹”，天文爱好者，2021年第6期
（3）崔玉竹等，Precessing jet nozzle connecting to a spinning black hole in M87,Nature,2023.9
（4）天文学家发现M87星系中黑洞喷流周期性进动，云南大学中国西南天文研究所，http://www.swifar.ynu.edu.cn/info/1111/3044.htm
（5）是谁让M87*黑洞喷流不停摇摆，微信公众号“天文茶餐厅”，https://mp.weixin.qq.com/s/gkToAZaq0-jI2rfAOBi94A

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