地球、太陽會自轉，銀河系會自旋，那麼黑洞會自旋嗎？這困擾了物理學家50多年的問題，最近被中國一群科學家領銜的國際合作團隊破解。他們不僅計算出M87星系噴流旋進的週期約為11年，打破了先前M87噴流指向是不變的固有印象，也獲得了黑洞自旋的最有力的證據。

9月27日深夜，國際頂尖學術期刊《自然》在網路上發表了這項重磅發現。動畫模擬中，M87黑洞自轉的樣子好像一隻即將停下來的陀螺，在深邃的宇宙中搖擺旋轉。雖然這一切看起來與人們眼前的衣食住行無關，但或許未來當人類進行星際旅行時，會回想起這一刻。

幾個「反常」數據觸發探索靈感在浩渺宇宙中，活動星系的中央有著超大質量黑洞。這近百年前由愛因斯坦預言的神秘天體，終於在2019年被人類拍下了第一張剪影。質量和自旋，是黑洞的兩大基本參數。目前，黑洞質量已經有了成熟的估算方法，但可黑洞是否會自旋，但仍是個謎。1963年，天文學家在理論上證明了黑洞自旋的存在。而2016年重力波的發現，則使「黑洞自旋」擁有了間接證據──兩個黑洞在旋轉合併時，會拖曳周圍時空，引發「時空漣漪」的引力波。那麼，如何能得到黑洞自旋的更直接證明呢？2017年，當時在日本國立天文台/日本綜合研究大學院大學攻讀博士課程的崔玉竹在處理東亞甚長基線干涉（VLBI）觀測網關於M87星系中央黑洞的噴流資料時，發現2017年M87的噴流結構與以往的結構指向不同。▲2013年至2020年期間每兩年合併後的M87噴流結構（觀測頻段為43 GHz）。對應的年份顯示在左上角。白色箭頭指示了每個子圖中噴流軸線的指向（表徵不同的噴流位置角）。（Yuzhu Cui et al. 2023）黑洞周圍物質在被黑洞吸入時，會發出極其明亮的光芒，看起來好像一個發亮的扁平圓盤，被稱為吸積盤。物質被吸入黑洞後，它們所攜帶的巨大角動量最終以噴流的形式，被噴射出黑洞。這讓黑洞、吸積盤、噴流看起來好像一個巨大的宇宙陀螺。「M87的黑洞噴流非常明亮，長達5000光年，過去大家一直以為它的噴射角度是不變的。」崔玉竹說，可有幾個數據顯示，噴流角度竟然與之前熟知的不同。「這到底是觀測誤差，還是意味著噴流在轉動？」帶著這個疑問，崔玉竹查詢了從2000年至2022年國際VLBI觀測網對於M87黑洞的170個觀測數據，發現它的角度果然在不斷變化。於是，來自全球10個國家的45個機構的70多位同行，與崔玉竹一起投入到了相關數據的整理、分析和模擬中。經過6年的努力，最後他們確定，M87噴流應該繞著一根「看不見的軸」旋轉，週期大約是11年。M87中心黑洞應該處於自旋狀態。雲南大學中國西南天文研究所副研究員林偉康說，透過電腦的數據擬合，噴流方向的周期性變化，與黑洞自旋軸非常吻合，「這就直接證明了黑洞自旋的存在」。幾十年VLBI觀測帶來厚積薄發在人類所認識的宇宙中，M87是個明星星系。它個頭大，質量約為太陽的65億倍；距離地球近，僅相距5500萬光年，使得它成為天文學家觀測的最佳對象之一。早在1918年，人們就發現了M87的噴流，成為宇宙中首個發現噴流的天體。此後，M87噴流就成為地球上各大射電望遠鏡的觀測對象，尤其在全球射電望遠鏡聯網組成VLBI觀測網後，對M87的觀測資料精度不斷提高。而這次研究用到的數據，是VLBI觀測網中時間跨度最大、數據數量最多的。▲東亞VLBI網路和義大利/俄羅斯射電望遠鏡組成的EATING觀測網中參加了此論文的望遠鏡分佈（Yuzhu Cui et al. 2023、Intouchable Lab@Openverse和之江實驗室）「這次發現的關鍵數據，主要得益於東亞VLBI網的精度提升，而上海佘山的天馬望遠鏡、新疆南山的26米射電望遠鏡，貢獻了主要數據。」崔玉竹告訴記者，國內共有26位同行參與了這項研究。早在1986年，上海天文台就建成了佘山25公尺射電望遠鏡，並於1991年加入歐洲VLBI網的協聯成員，1998年就參與國際VLBI網的觀測中。2017年，口徑65公尺的天馬望遠鏡建成並加入國際VLBI網。中國科學院上海天文台台長沈志強介紹，由於天馬望遠鏡的高靈敏度，提升了整個網路的觀測能力，「特別使得東亞VLBI觀測網的成像品質提升了約50%」。而新疆天文台南山望遠鏡則因其獨特的地理位置，使東亞VLBI觀測網的連網口徑從3000千米擴展到5000千米。中國科學院新疆天文台研究員崔朗介紹，這台口徑26公尺的電波望遠鏡於2017年加入東亞VLBI網，每年投入300小時參加相關觀測。就在兩週前，上海天文台日喀則40公尺射電望遠鏡開工建設，新疆天文台奇台110公尺射電望遠鏡也已在興建中。沈志強說，“未來，這些後起之秀的加入，將進一步提升觀測能力，助力天文學家發現更多宇宙奧秘。”開啟黑洞自旋深入研究新里程曾經，美國甚長基線陣（VLBA）對M87噴流的常年觀測，幫助大家了解了很多M87的物理性質，以為對M87已經足夠了解，已逐步取消觀測時間，轉向其他觀測目標。而中國科學家的這項發現，使他們又開始恢復M87噴流的長期監測計畫。在模擬動畫中，假設M87黑洞的自旋方向垂直於地面，它的吸積盤就如同與地面形成一定角度的陀螺螺體，而晃動的陀螺軸心則是一道長達5000光年的噴流。不過，與陀螺不同的是，吸積盤的運動中心就是其中心的黑洞。「這是一個非常漂亮又乾淨的結果，也是一個非常基礎而重要的發現。」美國康乃爾大學教授、上海交通大學李政道研究所李政道訪問講席教授賴東提到，義大利、美國都曾發射衛星，專門探測天體的時空拖曳效應，但均未成功，「這次證明黑洞自旋的存在，將對這項效應的研究帶來實質推動」。如今，崔玉竹是之江實驗室的博士後研究人員。她說，在獲得黑洞自旋的最有力的證據後，還有一連串問題需要更深入的研究：M87黑洞自旋的速度是多少？黑洞自旋是否普遍存在？推動黑洞自旋的外力又來自何方？此外，自旋很可能是黑洞噴流產生的關鍵，那麼這是否會為黑洞物質噴射的機制研究帶來新視角？這一切都等著她和眾多同行一起尋找答案。