研究人员利用全球射电望远镜二十年的数据，通过观测M87星系超大质量黑洞喷流的摆动，证实了它的自旋。这一发现标志着黑洞研究取得了重大进展。位于 M87 星系中心的超大质量黑洞因第一张黑洞阴影照片而闻名于世，它又创造了另一个第一：黑洞喷射出的射流被证实会摆动，这直接证明了黑洞在旋转。
倾斜吸积盘模型示意图。在本图中，黑洞自旋轴被假定为直上直下。喷流方向几乎垂直于磁盘平面。黑洞自旋轴和圆盘旋转轴之间的错位引发了圆盘和喷流的前倾。资料来源：崔玉珠等人（2023），Intouchable Lab@Openverse 和之江实验室
超大质量黑洞是比太阳重数十亿倍的怪兽，会吞噬周围的一切，包括光，很难对其进行研究，因为任何信息都无法从内部逃逸。从理论上讲，我们能测量到的特性少之又少。有一种可能被观测到的性质是自旋，但由于涉及到的困难，还没有对黑洞自旋进行过直接观测。
二十年的观测发现证据
为了寻找黑洞自旋的证据，一个国际小组分析了二十多年来对M87星系的观测数据。这个星系位于室女座方向5500万光年之外，里面有一个质量比太阳大65亿倍的黑洞，2019年事件视界望远镜（EHT）首次拍摄到的黑洞阴影图像也是这个黑洞。众所周知，M87 中的超大质量黑洞有一个吸积盘和一个喷流，前者将物质送入黑洞，后者则以接近光速的速度将物质从黑洞附近喷出。
(上图）2013 年至 2018 年期间每两年平均一次的 43 GHz 频率下的 M87 喷射结构。左上角标注了相应年份。白色箭头表示每个子图中的喷流位置角。(下图）2000 年至 2022 年喷流方向的观测演变。绿色和蓝色点分别来自 22 和 43 GHz 的观测数据。红线为最佳拟合正弦曲线，周期为 11 年。资料来源：Yuzhu Cui 等人 (2023)
研究小组分析了东亚 VLBI 网络（EAVN）、甚长基线阵列（VLBA）、KVN 和 VERA 联合阵列（KaVA）以及东亚至意大利近全球（EATING）VLBI 网络收集的 170 个时间段的数据。全球共有 20 多台射电望远镜为这项研究做出了贡献。
研究结果和意义
研究结果表明，吸积盘与黑洞自旋之间的引力相互作用导致喷流底部摆动或前倾，这与太阳系内的引力相互作用导致地球前倾的方式非常相似。研究小组成功地将喷流的动态与中心超大质量黑洞联系起来，提供了黑洞确实在旋转的直接证据。喷流的方向变化约为10度，前冲周期为11年，与日本国家天文台（NAOJ）ATERUI II进行的超级计算机理论模拟相吻合。
论文的第一作者崔玉珠说："我们为这一重大发现感到激动，崔玉珠是日本国立天文台的一名研究生，后来到浙江实验室担任博士后研究员。由于黑洞与星盘之间的错位相对较小，且前摄周期约为11年，因此积累二十多年来追踪M87结构的高分辨率数据并进行深入分析是取得这一成果的关键。"
来自日本国家天文台的 Kazuhiro Hada 博士解释说："在利用 EHT 成功对该星系中的黑洞进行成像之后，这个黑洞是否在旋转一直是科学家们关注的焦点。现在，期待变成了肯定。这个怪物黑洞确实在旋转。"
东亚 VLBI 网络活动星系核科学工作组协调人、工学院大学的木野元树博士说："这是一个令人兴奋的科学里程碑，通过来自全球 45 个机构的国际研究人员团队多年的联合观测，最终揭示了这一事实。我们的观测数据与简单的正弦曲线非常吻合，为我们了解黑洞和喷射系统带来了新的进展。"