地球、太阳会自转，银河系会自旋，那么黑洞会自旋吗？这个困扰了物理学家50多年的问题，最近被中国一群科学家领衔的国际合作团队所破解。他们不仅计算出M87星系喷流旋进的周期约为11年，打破了之前M87喷流指向是不变的固有印象，还获得了黑洞自旋的最为有力的证据。
9月27日深夜，国际顶尖学术期刊《自然》在线发表了这一重磅发现。动画模拟中，M87黑洞自转的样子好像一只即将停下的陀螺，在深邃的宇宙中摇摆旋转。虽然这一切看起来与人们眼前的衣食住行无关，但或许未来当人类进行星际旅行时，会回想起这一刻。
几个“反常”数据触发探索灵感
在浩渺宇宙中，活动星系的中央有着超大质量黑洞。这一近百年前由爱因斯坦预言的神秘天体，终于在2019年被人类拍下了第一张剪影。
质量和自旋，是黑洞的两大基本参数。目前，黑洞质量已经有了成熟的估算方法，可黑洞是否会自旋，却仍是一个谜。
1963年，天文学家在理论上证明了黑洞自旋的存在。而2016年引力波的发现，则使“黑洞自旋”拥有了间接证据——两个黑洞在旋转合并时，会拖拽周围时空，引发“时空涟漪”的引力波。
那么，如何能获得黑洞自旋的更为直接证明？2017年，当时在日本国立天文台/日本综合研究大学院大学攻读博士课程的崔玉竹在处理东亚甚长基线干涉（VLBI）观测网关于M87星系中央黑洞的喷流数据时，发现2017年M87的喷流结构与以往的结构指向不同。
▲2013年至2020年期间每两年合并后的M87喷流结构（观测频段为43 GHz）。对应的年份显示在左上角。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）
黑洞周围物质在被黑洞吸入时，会发出极其明亮的光芒，看起来好像一个发亮的扁平圆盘，被称为吸积盘。物质被吸入黑洞后，它们所携带的巨大角动量最终以喷流的形式，被喷射出黑洞。这让黑洞、吸积盘、喷流看起来好像一个巨大的宇宙陀螺。
“M87的黑洞喷流非常明亮，长达5000光年，过去大家一直以为它的喷射角度是不变的。”崔玉竹说，可有几个数据显示，喷流角度竟然与之前熟知的不同。
“这到底是观测误差，还是意味着喷流在转动？”带着这个疑问，崔玉竹查询了从2000年至2022年国际VLBI观测网对于M87黑洞的170个观测数据，发现它的角度果然在不断变化。
于是，来自全球10个国家的45个机构的70多位同行，与崔玉竹一起投入到了相关数据的整理、分析和模拟中。经过长达6年的努力，最终他们确定，M87喷流应该绕着一根“看不见的轴”旋转，周期大约为11年。M87中心黑洞应该处于自旋状态。
云南大学中国西南天文研究所副研究员林伟康说，通过计算机的数据拟合，喷流方向的周期性变化，与黑洞自旋轴非常吻合，“这就直接证明了黑洞自旋的存在”。
几十年VLBI观测带来厚积薄发
在人类所认识的宇宙中，M87是个明星星系。它个头大，质量约为太阳的65亿倍；距离地球近，仅相距5500万光年，使得它成为天文学家观测的最佳对象之一。早在1918年，人们就发现了M87的喷流，成为宇宙中首个发现喷流的天体。
此后，M87喷流就成为地球上各大射电望远镜的观测对象，尤其在全球射电望远镜联网组建VLBI观测网后，对M87的观测数据精度不断提高。而这次研究用到的数据，是VLBI观测网中时间跨度最大、数据数量最多的。
▲东亚VLBI网络和意大利/俄罗斯射电望远镜组成的EATING观测网中参加了此论文的望远镜分布（Yuzhu Cui et al. 2023、Intouchable Lab@Openverse和之江实验室）
“此次发现的关键数据，主要得益于东亚VLBI网的精度提升，而上海佘山的天马望远镜、新疆南山的26米射电望远镜，贡献了主要数据。”崔玉竹告诉记者，国内共有26位同行参与了这项研究。
早在1986年，上海天文台就建成了佘山25米射电望远镜，并于1991年加入欧洲VLBI网的协联成员，1998年就参与到国际VLBI网的观测中。2017年，口径65米的天马望远镜建成并加入国际VLBI网。中国科学院上海天文台台长沈志强介绍，由于天马望远镜的高灵敏度，提升了整个网络的观测能力，“尤其使得东亚VLBI观测网的成像质量提升了约50%”。
而新疆天文台南山望远镜则因其独特的地理位置，使东亚VLBI观测网的联网口径从3000千米扩展到5000千米。中国科学院新疆天文台研究员崔朗介绍，这台口径26米的射电望远镜于2017年加入东亚VLBI网，每年投入300小时参加相关观测。
就在两周前，上海天文台日喀则40米射电望远镜开工建设，新疆天文台奇台110米射电望远镜也已在建设中。沈志强说，“未来，这些后起之秀的加入，将进一步提升观测能力，助力天文学家发现更多宇宙奥秘。”
开启黑洞自旋深入研究新里程
曾经，美国甚长基线阵（VLBA）对M87喷流的常年观测，帮助大家了解了很多M87的物理性质，以为对M87已经足够了解，已逐步取消观测时间，转向其他观测目标。而中国科学家的此次发现，使他们又开始恢复对M87喷流的长期监测计划。
在模拟动画中，假设M87黑洞的自旋方向垂直于地面，它的吸积盘就如同与地面形成一定角度的陀螺螺体，而晃动的陀螺轴心则是一道长达5000光年的喷流。不过，与陀螺不同的是，吸积盘的运动中心就是其中心的黑洞。
“这是一个非常漂亮而干净的结果，也是一个非常基础而重要的发现。”美国康奈尔大学教授、上海交通大学李政道研究所李政道访问讲席教授赖东提到，意大利、美国都曾发射卫星，专门探测天体的时空拖拽效应，但均未成功，“这次证明黑洞自旋的存在，将对这一效应的研究带来实质性推动”。
如今，崔玉竹是之江实验室的一名博士后研究人员。她说，获得黑洞自旋的最为有力的证据后，还有一连串问题需要更深入的研究：M87黑洞自旋的速度是多少？黑洞自旋是否普遍存在？推动黑洞自旋的外力又来自何方？此外，自旋很可能是黑洞喷流产生的关键，那么这是否会给黑洞物质喷射的机制研究带来新视角？所有这些都等着她和众多同行一起寻找答案。