De aarde en de zon zullen draaien, en de Melkweg zal draaien, dus zullen zwarte gaten ook draaien? Dit probleem waar natuurkundigen al meer dan vijftig jaar last van hebben, werd onlangs opgelost door een internationaal samenwerkingsteam onder leiding van een groep Chinese wetenschappers. Niet alleen berekenden ze dat de precessieperiode van de jets van het M87-stelsel ongeveer 11 jaar bedraagt, waarmee ze de eerdere indruk doorbraken dat de richting van de M87-jets onveranderd was, ze verkregen ook het krachtigste bewijs van de rotatie van het zwarte gat.


Op 27 september 's avonds laat publiceerde het internationale wetenschappelijke toptijdschrift "Nature" deze blockbuster-ontdekking online. In de animatiesimulatie draait het zwarte gat M87 als een tol die op het punt staat te stoppen, zwaaiend en draaiend in het diepe universum. Hoewel dit alles niets te maken lijkt te hebben met de huidige basisbehoeften van mensen, zullen mensen zich dit moment misschien herinneren wanneer ze in de toekomst interstellaire reizen maken.

Verschillende ‘abnormale’ gegevens leiden tot verkenningsinspiratie

In het uitgestrekte heelal bevinden zich superzware zwarte gaten in de centra van actieve sterrenstelsels. Dit mysterieuze hemellichaam dat bijna honderd jaar geleden door Einstein werd voorspeld, werd in 2019 eindelijk voor het eerst in silhouet gefotografeerd.

Massa en spin zijn de twee basisparameters van een zwart gat. Op dit moment zijn er volwassen methoden om de massa van zwarte gaten te schatten, maar of zwarte gaten draaien is nog steeds een mysterie.

In 1963 bewezen astronomen theoretisch het bestaan ​​van spin van zwarte gaten. De ontdekking van zwaartekrachtsgolven in 2016 leverde indirect bewijs van ‘spin van zwarte gaten’: wanneer twee zwarte gaten draaien en samensmelten, zullen ze de omringende ruimte en tijd meeslepen, waardoor ‘ruimte-tijdrimpelingen’ van zwaartekrachtsgolven ontstaan.

Hoe kunnen we dus een directer bewijs verkrijgen van de spin van een zwart gat? In 2017, toen Cui Yuzhu, die promoveerde aan de National Astronomical Observatory of Japan/Japan Graduate University, de jetgegevens van het East Asian Very Long Baseline Interference (VLBI) observatienetwerk op het centrale zwarte gat van het M87-stelsel aan het verwerken was, ontdekte hij dat de jetstructuur van M87 in 2017 in een andere richting wees dan de vorige structuur.


▲ De M87-jetstructuur is tussen 2013 en 2020 elke twee jaar samengevoegd (waarnemingsfrequentieband is 43 GHz). Het overeenkomstige jaar wordt weergegeven in de linkerbovenhoek. De witte pijlen geven de richting van de straalas in elke subfiguur aan (die verschillende straalpositiehoeken vertegenwoordigen). (YuzhuCuietal.2023)

Wanneer het materiaal rond het zwarte gat door het zwarte gat wordt aangezogen, straalt het extreem helder licht uit en ziet het eruit als een glanzende platte schijf, een zogenaamde accretieschijf. Nadat materie in het zwarte gat is gezogen, wordt het enorme impulsmoment dat ze met zich meedragen uiteindelijk in de vorm van een straal uit het zwarte gat geworpen. Hierdoor zien zwarte gaten, accretieschijven en jets eruit als gigantische kosmische toppen.

‘De zwarte gatstraal van M87 is heel helder en 5000 lichtjaar lang. Vroeger dacht iedereen altijd dat de straalhoek constant was.’ zei Cui Yuzhu, maar uit verschillende gegevens blijkt dat de straalhoek feitelijk anders is dan voorheen bekend was.

"Is dit een observatiefout, of betekent dit dat de jet draait?" Met deze vraag onderzocht Cui Yuzhu ongeveer 170 observatiegegevens van het zwarte gat M87 van het internationale VLBI-observatienetwerk van 2000 tot 2022, en ontdekte dat de hoek inderdaad verandert.

Als gevolg hiervan werkten meer dan 70 collega's van 45 instellingen in 10 landen over de hele wereld met Cui Yuzhu samen om relevante gegevens te organiseren, analyseren en simuleren. Na zes jaar hard werken kwamen ze uiteindelijk tot de conclusie dat de M87-straaljager rond een "onzichtbare as" moest draaien met een periode van ongeveer 11 jaar. Het zwarte gat in het centrum van M87 zou zich in een spin-toestand moeten bevinden.

Lin Weikang, universitair hoofddocent aan het Southwest China Institute of Astronomy aan de Yunnan Universiteit, zei dat door het aanpassen van computergegevens de periodieke veranderingen in de richting van de jet zeer consistent zijn met de draai-as van het zwarte gat. "Dit bewijst direct het bestaan ​​van de spin van het zwarte gat."

Tientallen jaren van VLBI-waarnemingen hebben geleid tot een vergaarde kennis

In het universum dat de mens kent, is M87 een sterrenstelsel. Het is groot, met een massa van ongeveer 6,5 miljard keer die van de zon; het bevindt zich dicht bij de aarde, op slechts 55 miljoen lichtjaar afstand, waardoor het een van de beste objecten is die astronomen kunnen waarnemen. Al in 1918 ontdekten mensen de straaljager van M87, waarmee hij het eerste hemellichaam in het universum werd dat een straaljager ontdekte.

Sindsdien is het straalvliegtuig M87 het object van observatie geworden door grote radiotelescopen op aarde. Vooral nadat het wereldwijde netwerk van radiotelescopen het VLBI-observatienetwerk had opgericht, is de nauwkeurigheid van de M87-observatiegegevens blijven verbeteren. De data die in deze studie worden gebruikt, hebben de grootste tijdspanne en de grootste hoeveelheid data in het VLBI-observatienetwerk.


▲Verdeling van telescopen die deelnemen aan dit artikel in het EATING-observatienetwerk, bestaande uit het Oost-Aziatische VLBI-netwerk en Italiaans/Russische radiotelescopen (YuzhuCuietal.2023, IntouchableLab@Openverse en Zhijiang Laboratory)

"De belangrijkste gegevens die dit keer werden ontdekt, profiteerden vooral van de nauwkeurigheidsverbetering van het Oost-Aziatische VLBI-netwerk, en de Tianma-telescoop in Sheshan, Shanghai, en de 26-meter radiotelescoop in Nanshan, Xinjiang droegen de belangrijkste gegevens bij." Cui Yuzhu vertelde verslaggevers dat in totaal 26 binnenlandse collega's aan dit onderzoek deelnamen.

Al in 1986 bouwde de Shanghai Observatory de Sheshan 25-meter radiotelescoop, werd in 1991 consortiumlid van het Europese VLBI-netwerk en nam in 1998 deel aan de waarnemingen van het internationale VLBI-netwerk. In 2017 werd de 65-meter Tianma-telescoop voltooid en aangesloten bij het internationale VLBI-netwerk. Shen Zhiqiang, directeur van het Shanghai Observatorium van de Chinese Academie van Wetenschappen, zei dat vanwege de hoge gevoeligheid van de Tianma-telescoop de observatiemogelijkheden van het hele netwerk zijn verbeterd, "vooral de beeldkwaliteit van het Oost-Aziatische VLBI-observatienetwerk is met ongeveer 50% verbeterd."

De Nanshan-telescoop van het Xinjiang-observatorium heeft de netwerkdiameter van het Oost-Aziatische VLBI-observatienetwerk vergroot van 3.000 kilometer naar 5.000 kilometer vanwege zijn unieke geografische ligging. Cui Lang, een onderzoeker bij het Xinjiang Observatorium van de Chinese Academie van Wetenschappen, zei dat deze radiotelescoop met een diameter van 26 meter in 2017 lid werd van het Oost-Aziatische VLBI-netwerk en elk jaar 300 uur besteedt aan relevante observaties.

Nog maar twee weken geleden is de bouw van de Xigaze 40-meter radiotelescoop van het Shanghai Observatorium begonnen, en de Qitai 110-meter radiotelescoop van het Xinjiang Observatorium is ook in aanbouw. Shen Zhiqiang zei: "In de toekomst zal de toevoeging van deze rijzende sterren de observatiemogelijkheden verder verbeteren en astronomen helpen meer mysteries van het universum te ontdekken."

Een nieuwe mijlpaal in diepgaand onderzoek naar de spin van zwarte gaten

In het verleden hebben de Amerikaanse Very Long Baseline Array (VLBA) observaties van het M87-vliegtuig het hele jaar door iedereen geholpen veel van de fysieke eigenschappen van M87 te begrijpen. Ze dachten dat ze genoeg wisten over M87, dus schrapten ze geleidelijk de observatietijd en wendden zich tot andere observatiedoelen. De ontdekking door Chinese wetenschappers heeft hen ertoe aangezet hun langetermijnmonitoringplan voor het M87-vliegtuig te hervatten.

In de simulatie-animatie, ervan uitgaande dat de draairichting van het zwarte gat M87 loodrecht op de grond staat, lijkt de accretieschijf op een gyro die een bepaalde hoek met de grond vormt, en is de trillende gyro-as een straal die 5000 lichtjaar lang is. In tegenstelling tot een gyroscoop is het bewegingscentrum van een accretieschijf echter het zwarte gat in het midden.

"Dit is een heel mooi en schoon resultaat, en het is ook een heel fundamentele en belangrijke ontdekking." Lai Dong, professor aan de Cornell Universiteit in de Verenigde Staten en Tsung-Dao Visiting Professor aan het Tsung-Dao Lee Instituut van de Shanghai Jiao Tong Universiteit, zei dat zowel Italië als de Verenigde Staten satellieten hebben gelanceerd om specifiek het ruimte-tijd-weerstandseffect van hemellichamen te detecteren, maar dat ze daar niet in slaagden. "Dit bewijs van het bestaan ​​van de spin van een zwart gat zal een substantiële impuls geven aan het onderzoek naar dit effect."

Tegenwoordig is Cui Yuzhu een postdoctoraal onderzoeker bij het Zhijiang Laboratory. Ze zei dat er na het verkrijgen van het krachtigste bewijs van de spin van een zwart gat nog steeds een reeks vragen is die diepgaander onderzoek vereisen: wat is de rotatiesnelheid van het zwarte gat M87? Is de spin van een zwart gat universeel? Waar komt de externe kracht vandaan die de rotatie van het zwarte gat aandrijft? Bovendien zal spin waarschijnlijk de sleutel zijn tot het genereren van jets van zwart gatmateriaal. Zal dit een nieuw perspectief opleveren voor de studie van het mechanisme van jets van zwart gatmateriaal? Dit alles wacht op haar en vele collega's om antwoorden te vinden.