吞星暴露黑洞的“吃相”：科学家发现观察黑洞新视角

由于奇点巨大的引力，就算是光也难以逃脱黑洞，因此黑洞通常难以被观测和研究。此前，人们观测它们的方法有三：一是通过“监听”宇宙中由黑洞碰撞引发的引力波；二是通过制作庞大的星系地图，然后根据观测到的引力现象判断黑洞的所在位置；三是等待有气体被黑洞吞噬，观测在吞噬过程中放出的辐射。

 

而现在的研究人员们有了一个新的选择，他们可以通过潮汐破坏事件（TDEs, tidal disruption events）对黑洞进行观测。潮汐破坏事件一般会发生在恒星被大质量黑洞捕获的过程中，被捕获的恒星会被黑洞一分为二，其大部分质量会被黑洞吞噬，就像是被熊捕获的一只三文鱼。加州大学圣克鲁兹分校的天体物理学家 Enrico Ramirez-Ruiz 说：“对我来说，这听上去简直像是科幻小说。”

而在过去的几年里，有关潮汐破坏事件的研究也已经从“科幻小说”过渡到了应用阶段。

图 | 潮汐破坏事件将恒星撕裂成两部分（图源：Quanta Magzine）

黑洞吞星并不罕见

科学家们每天可以从宇宙中观测到二十几次潮汐破坏事件，其中的一些怪异而持久。今年 6 月，一项发表于 Nature Astronomy 期刊上的研究描述了从一组恒星中爆发出的 X 光射线，并将其解释为是一个中型黑洞正在吞噬恒星。同月，另一组科学家在 Science 杂志上发表了他们的研究，认为他们或已发现迄今最亮的潮汐破坏事件。

 

而这些发现的产生，与近年来的潮汐破坏事件理论框架不断完善有着很大的关系，因为就在今年 5 月，一群天体物理学家提出了潮汐破坏事件的新理论模型，解释了为什么尽管有时不同潮汐破坏事件所呈现的特征不同，但它们都可能基于同一个的物理过程。

 

天文学家们希望能通过解码潮汐破坏事件，对宇宙中的黑洞进行一次普查。潮汐破坏事件通过将大多数不可见黑洞的信息“泄露”给天文学家，揭示了宇宙中的隐藏质量。而本次发表于 Nature Astronomy 上的论文，便阐述了如何能通过潮汐破坏事件发现中等质量黑洞。这些中等质量黑洞的质量大约从几百个太阳到几百万个太阳之间。

 

除了理论上的进步，实验学家们也在尝试对借用潮汐破坏事件的方法进行实践，比如有人开始用潮汐破坏事件研究黑洞内的物理，验证黑洞是否如广义相对论所预测的那样存在事件视界（event horizon）。据广义相对论，在事件视界内的任何事件皆无法对视界外的观察者产生影响。

图 | 潮汐破坏事件发出的X光射线（图源：NASA）

 

与此同时，对于潮汐破坏事件的观测也在增加，比如于今年 3 月在加州 Palomar 天文台的兹威基瞬变设施开始进行星空普查。此前的观测发现每年会出现一到两个新的潮汐破坏事件，而随着未来观测资源的不断投入，这一数字或将上升一个数量级。

 

潮汐破坏事件观测法的先驱者之一，兹威基瞬变设施的潮汐破坏事件项目负责人，马里兰大学的 Suvi Gezari 说：“该领域的确正在蓬勃发展，现在的人们已经开始在借潮汐破坏事件来挖掘宇宙中的隐藏信息。”该团队在开始的几个月已捕捉到了几个潜在的潮汐破坏事件。

潮汐破坏事件：黑洞将恒星撕裂“分食”

随着越来越多的潮汐破坏事件被发现，天文学家们已经实现了 Martin Rees 最初的设想，即通过潮汐破坏事件精确定位和研究大型黑洞。但如何解释潮汐破坏事件和预言这些潮汐破坏事件的物理性质目前还尚无定论。但出乎天文学家们预料的是，已知的潮汐破坏事件都独具一格，自成一派。有些似乎主要发出紫外线和可见光，就像是一团气体被加热到至了数万度，有些则主要发出 X-射线，温度较前者高出一个量级。但据推测，它们理应具有相同的物理过程。

图 | Suvi Gezari 的工作验证了潮汐破坏事件的存在（图源：John T. Consoli，马里兰大学）

一颗恒星在足够接近黑洞后会被捕获，黑洞的引力潮汐所产生的作用力大小超过了恒星的内部引力，进而引发了潮汐破坏事件。换句话说，黑洞在恒星的近端和远端 (距黑洞中心的近远) 所造成的引力差异，以及恒星在黑洞周围摆动时所受的惯性拉力，将恒星拉伸成了一条“溪流”。

 

恒星的外半部分会逃回太空，但密度较高的内半部分会旋入黑洞，升温并以辐射的形式释放出巨大能量。

 

哈佛－史密松天体物理中心的天体物理学家，James Guillochon 说：“潮汐破坏事件其实就是恒星经过黑洞时被拉扯的不成样子，最终被撕裂。”

 

虽然构想出了初步的潮汐破坏事件形成理论，但这还不足以解释为什么不同潮汐破坏事件间的差异如此明显。有一种假设认为，这与黑洞处于吞噬恒星内半部分的不同阶段有关。当恒星最初被撕开并拉伸成一条“溪流”时，它可能会在黑洞周围跳弹并撞到自己轨迹的尾部，这可能会使尾部加热到产生紫外线的温度，但尾部温度不会再变的比这更高。随后，在短则几个月，长则一年的时间过后，这颗恒星会堆积成一个高速旋转的吸积盘（accretion disk），理论上其温度应该足以向外放出 X 射线。

图 | ASASSN-14li 潮汐破坏事件恒星碎片聚集在黑洞周围吸积盘中（图源：NASA）

 

但也存在着其它可能的解释，由尼尔斯玻尔研究所的 Jane Lixin Dai 团队和 Ramirez-Ruiz 认为，根据他们的模拟，广义相对论造成影响或能解释这一问题，只需调整观测的角度，两种不同的潮汐破坏事件便有可能呈现为同一形态。详细来说，如果天文学家从顶部观测这类高速旋转的盘，他们可以看到来自内侧发热物质产生的 X 射线向内旋转。而当此盘处于黑洞边缘时，较冷的气体会吸收这些 X 射线并放出紫外线。

 

最终，理论家希望将不同的潮汐破坏事件都看作是源于同一物理过程，然后进行更深入的科学研究。Kochanek 说：“也许我们会学到一些关于吸积（accretion）的基本知识，或许就像云朵的形状各异一样，潮汐破坏事件也有着类似的可随意变换的特征。”

“一斑窥豹”：潮汐破坏事件透露黑洞信息

此前，那些超大质量，统治星系的黑洞中，只有约 10％会因吞噬周围气体而发出辐射，剩余 90％对天文学家来说都是完全不可见的。但潮汐破坏事件理论和观测的不断成熟改变了这一点。

 

波恩马克斯普朗克射电天文研究所的天文学家，Komossa 希望能找到更多的超大质量双黑洞系统，即两个黑洞在双方的星系碰撞后被迫呆在一起。在一个超大质量双黑洞系统中，当一颗恒星被撕碎，流入一个黑洞时，另一个黑洞会牵扯这些被撕碎的恒星物质，潮汐破坏事件因此会变的时暗示亮，而非稳定地逐渐变暗。

 

也有团队想验证一个更为基本的，怪异的相关性——不知为何，位于星系中央的黑洞与其主星系的质量似乎会同时增加。Ramirez-Ruiz 说：“黑洞似乎知晓星系的质量，而潮汐破坏事件可以加强或削弱这种相关性。”

图 | Richo Ramirez-Ruiz（图源：Elena Zhukova）

潮汐破坏事件还可以为周围可能的大质量黑洞谜题提供解释。虽然已知最大的黑洞的重量可以达到太阳的 100 亿倍，但天文学家目前尚不清楚较小的矮星系是否会由成比例的黑洞（数十万倍太阳质量以下的黑洞）所统治。

Richo Ramirez-Ruiz 帮助创建了潮汐破坏事件的理论模型，揭示了它们从不同方向被观察时所呈现的不同形态。

 

通过潮汐破坏事件观测中等质量黑洞，还能帮助天文学家进一步了解黑洞的形成过程。一篇于六月发表在 Nature Astronomy  的论文声称已经找到了一个这种中型黑洞，重达数万太阳质量。论文中的潮汐破坏事件事件于 2003 年被发现，在 2006 年达到顶峰，然后在接下来的十年中逐渐减弱。在该事件中，X 射线耀斑没有出现在星系的中心，而是出现在可以从恒星合并中进一步合并的地方。领导研究的新罕布什尔大学天体物理学家，Dacheng Lin 说：“我们需要找到更多相似的事件，以验证我们的结果。”

 

随着目标深入，潮汐破坏事件也开始被用于验证由广义相对论所描述的黑洞是否准确。例如，随着黑洞的质量不断增加，广义相对论认为黑洞的事件视界将稳定向外蔓延。但黑洞潮汐能够撕裂恒星的半径增加得更慢，在 Hills 质量（约为一亿倍太阳质量）的理论极限中，黑洞内的撕裂半径与其自身的边界完全重合，给潮汐破坏事件带来质量上限。哥伦比亚大学的理论天体物理学家，Nicholas Stone 说：“在黑洞质量小于 Hills 质量的情况下，位于边界外的被捕获恒星仅会被黑洞撕裂，而在黑洞质量比 Hills 质量大的情况下，被卷入边界内的恒星则会被整个吞噬。”

 

现有的观测数据支持这一设想，已知的潮汐破坏事件都发生在重量小于 Hills 质量的黑洞周围，这表明较重的物体可能确实具有相对论所预测的视界。

潮汐破坏事件与爱因斯坦广义相对论

 

但 Nicholas Stone 和同事们希望获得更多的信息。他们认为，一个比 Hills 质量重 10 倍的旋转黑洞可吞噬恒星。Stone 表示，在发现更多潮汐破坏事件后，天文学家们可以观察到事件视界在黑洞质量逐渐变大的情况下逐渐消失，这也能帮助他们了解旋转最快的黑洞。

图 | 位于年轻的星系核心的黑洞（图源：NASA）

 

黑洞旋转具有理论上的最大速度，而任何转得更快的黑洞的存在都会与黑洞具有外边界的设想相悖，这将能判断广义相对论中对黑洞视界的描述是否准确。

 

好消息是，目前相应的观测项目已经启动，将在未来为这些问题提供答案。但这次与之前情况相反，Gezari 表示，Zwicky 瞬变设施目前已经发现了过多的潮汐破坏事件，她计划集中精力和资源，对有价值的目标进行后续观察。

 

此外，一个长期被推迟的德-俄联合项目，eRosita 如果能按计划在 2019 年上线，应该能发现数百或数千个发射 X 射线的新潮汐破坏事件。Komossa 参与合作的一项中国任务，即计划于 2022 年发射的“爱因斯坦探针”。而智利也正在建造一台大型综合巡天望远镜，计划于 2022 年上线。

 

对于 Ramirez-Ruiz 来说，该领域的发展是现代“天体摄影”方式（用望远镜在夜间拍摄延时视频）所带来的必然结果。Ramirez-Ruiz 说：“潮汐破坏事件在一个星系中每一万年才发生一次，但我们现在已经观测了足够多的星系，该领域正处于一种‘爆炸式’的发展阶段。”

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编辑：Peter 责任编辑：戴青

参考：

https://www.quantamagazine.org/star-swallowing-black-holes-reveal-secrets-in-exotic-light-shows-20180808/

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