超大质量黑洞如何吞噬恒星？你将看到整个过程

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撰文 S·布拉德利·岑科（S. Bradley Cenko）

         尼尔·格雷尔斯（Neil Gehrels）

翻译 董燕婷 李东悦

审校 苟利军

在银河系和其他几乎每一个大星系的中心，都潜藏着一个深层的宇宙奥秘——一个超大质量黑洞。这些天体把数百万至数十亿个太阳的质量压缩到比太阳系还小的区域内，它们是如此奇怪，以至于看起来非常神秘。还没有科学家能够解释，自然界是如何将这么多物质压缩到如此小的空间中。但可以肯定的是，超大质量黑洞伸出了无形的“引力之手”，以深刻而微妙的方式影响周围星系的形成。科学家希望通过研究这些幽灵般的黑洞的生长及行为，揭开星系诞生和演化的秘密。

但问题是，超大质量黑洞不发光，它们大部分时间都在休眠，我们看不见。只有当它们“进食”时，才会苏醒过来，但超大质量黑洞的食物极其少有，因为围绕它们旋转的大多数气体、灰尘和恒星都待在稳定的轨道上，超大质量黑洞根本吃不到。它们总是很饥饿，每当有数量可观的东西恰巧掉入时，超大质量黑洞就会“疯狂进食”，这一现象从非常非常远的地方就能看到。

在过去半个世纪的大部分时间里，科学家主要通过观测类星体来研究这类正在享受盛宴的黑洞。类星体在1963年由天文学家马腾·施密特（Maarten Schmidt）发现，它们是活动星系的超亮中心，每一个都比数十亿个太阳还亮，无论你处在宇宙的哪个角落，都可以观测到它们。当大量气体尘埃冲向一个超大质量黑洞，绕黑洞转动时，会发热发光，持续数十万或数百万年，在这个时候就被认为形成了类星体。

然而，类星体并不是理想的研究对象。它们是一些极端事件，通常都相当遥远且相对罕见，其生命周期只构成了超大质量黑洞一生的一小部分。因此，它们提供的视角很有限，天文学家无法由此获知我们星系的超大质量黑洞平常是如何“进食”和生长的。虽然研究人员还可观测围绕超大质量黑洞快速转动的恒星，通过计算恒星的速度来研究它们，但这种方法只适用于非常近的天体——比如位于银河系和临近星系中的天体，只有在这个范围内，当前的望远镜才可以分辨出单个恒星。

1988年，英国天文学家马丁·里斯（Martin Rees）提出了研究超大质量黑洞的第三种方法——直到最近，这种方法才真正显示出了它的优越性。天文学家可以通过寻找来源于黑洞附近短暂而明亮的光芒来研究黑洞。这类爆发被称为潮汐瓦解事件（tidal disruption event，TDE），当一个超大质量黑洞吞噬一颗不幸的恒星时就会发生。潮汐瓦解事件会持续几个月而非几千年，研究人员可以完整地见证从“进食”开始至结束的整个过程，并且在这个过程中黑洞周围足够明亮，不管是发生在附近还是遥远的星系中，我们都能够观测到。

潮汐瓦解事件非常剧烈，远非海岸边冲走游客浴巾的潮水能比。不过，两者在原理上有相同之处。地球上的潮汐主要由月球的引力拖拽引起，即在靠近月球的一侧，地球受到的拉拽更强。月球对地球远端和近端的引力差被称为潮汐力。在地球朝向月球的一侧，潮汐力会产生一个高潮，有点反常的是，它也会在相反的一面产生一个高潮，当然潮汐力也会产生一个相应的低潮，不过是在与地月轴线的夹角为90度的地方。当一颗恒星在一个超大质量黑洞附近时——可能是被附近另一颗恒星的引力推到那里的——强烈的潮汐力可以将它撕成碎片。

这颗恒星将以哪种方式消亡，取决于恒星和超大质量黑洞的大小。一个小而致密的天体，例如白矮星，抵抗潮汐力的能力远比一个更大、更蓬松的类太阳恒星强，这类似于一个保龄球比一团棉花糖更难撕裂。最大的超大质量黑洞具有数十亿倍太阳质量，它们太大了，大到无法引起潮汐瓦解事件——在潮汐力撕裂恒星之前，它们就已经吞噬了整个恒星。相反，数百万个太阳质量的黑洞周围的潮汐力将会撕裂距它约5000万千米（约为水星与太阳的距离）内的大多数恒星。

虽然撕裂一颗恒星这样的大规模事件已经够壮观了，但这还只是一场烟花表演的开始。在恒星被撕裂之后，碎片将分散开，逐渐偏离恒星的原始轨道。基础轨道力学指出，大约一半的碎片将被排出，成为从黑洞附近流出的纤长细丝，而另一半则旋绕黑洞，形成一个吸积盘 ——一种缓慢落入黑洞的螺旋环结构。当吸积盘的物质落入黑洞时，会加速至接近光速，并在引力和摩擦力的压缩和加热下，温度不断升高，在接近250 000℃时会开始发光。在几周或几个月的时间内，一次典型的潮汐瓦解事件将导致先前休眠和看不见的黑洞暂时比星系中的所有恒星都要亮。

虽然理论学家在几十年前就预言了潮汐瓦解事件的存在，但直到20世纪90年代和21世纪初，天文学家才真正观察到这一现象。之所以花了这么长时间才观察到，是因为潮汐瓦解事件非常稀有——据估计，在银河系这样的星系中，每10万年才发生一次潮汐瓦解事件。这类事件也很难观测到。简单的理论模型表明，潮汐瓦解事件中，吸积盘的发光峰值应该在电磁光谱上所谓的软X射线或远紫外部分。但由于星际尘埃和地球大气的干扰，科学家难以从地面上对这个波段进行观测。

同样的模型还表明，天文学家可以利用潮汐瓦解事件对黑洞质量进行相对精确的估计。质量是一个关键数据，可以帮助天文学家解释黑洞的大小是如何影响自身行为及所在星系环境的。要测量黑洞的质量，天文学家只需简单测定潮汐瓦解事件达到峰值亮度所花的时间（它揭示了吸积盘形成和黑洞“进食”的速度）。潮汐瓦解事件是如此明亮，研究人员可以利用它们确定更遥远的超大质量黑洞的质量，这一点其他任何已知现象都办不到。

根据伦琴X射线天文台（ROSAT）和星系演化探测器（Galaxy Evolution Explorer）紫外空间望远镜的数据，天文学家发现了第一批潮汐瓦解事件候选者。它们是一些爆发事件，持续时间从几周到几个月，而且位置处于先前休眠的星系中心。作为早期理论预测的现象的首批潜在观测证据，这些发现对建立一个全新的研究领域格外重要。然而，由于这些证据主要是从旧数据中发现的，天文学家错失了在多个波段上实时研究它们的时机，无法揭开最深层次的秘密。而要想在潮汐瓦解事件刚发生时就发现它们，天文学家必须非常幸运，或是持续不断地在广阔的天空搜寻。

幸运的是，过去10年中，数据存储和传感器的稳步发展使这种雄心勃勃的巡天项目成为可能。现在，一台高端光学相机能在单次快照中对一平方度或更多的天空区域成像，这种情况类似于在通过“管窥”的方式观察研究天文事件多年后，突然用全景镜头去观察天空。通过反复进行大面积巡天，并以数字化的方式合并得到的图像，剔除暗弱的临时特征，天文学家现在能更容易地发现和研究潮汐瓦解事件和一系列其他暂现天体物理现象。这些新的大视场巡天，例如全景巡天望远镜和快速响应系统（Panoramic Survey Telescope and the Rapid Response System，Pan-STARRS，简称泛星计划）、帕洛马暂现源工厂（Palomar Transient Factory，PTF）和全天空自动超新星巡天（All-Sky Automated Survey for Supernovae，ASAS-SN）主要设计用于识别超新星和小行星，但除此之外，它们还可以做更多。因为它们每晚可以对数百万个星系成像，对潮汐瓦解事件这类更奇异的暂现现象也很敏感。

类星体是宇宙的灯塔，它们形成于超大质量黑洞“进食”星系气体时，但对研究超大质量黑洞是如何“进食”的天文学家来说，此类罕见、遥远并迟缓的事件，并不是理想的研究对象。天文学家现在正在监测那些吞食单个恒星的巨大黑洞。

2010年，在Pan-STARRS开始运行后不久，美国天文学家苏维·吉扎里（Suvi Gezari）带领的团队发现了一次潮汐瓦解事件（被称作PS1-10jh）, 这一事件发生在质量约为200万个太阳的黑洞周围，所在星系距离地球约27亿光年。由于这次事件是在数据收集后很短时间内发现的，吉扎里和同事第一次能够在后续的光学和紫外波段观测和研究它。他们的发现非常令人吃惊。

从光谱来看，这次特殊的潮汐瓦解事件显得非常“冷”，温度大约在30 000℃，还不到大多数吸积盘基本理论预言的1/8。而且，PS1-10jh并没有随着吸积盘的冷却和消散在数周内逐渐消失，而是在初次发现后的很多个月内都维持温度不变。最奇怪的是，Pan-STARRS在PS1-10jh的余辉中探测到了电离氦的信号——这只有在温度超过100 000℃时才可能产生。此外，虽然天文学家在这一潮汐瓦解事件中探测到了大量的氦，但似乎没有探测到氢——宇宙中丰度最高的元素，同时也是恒星的主要元素。理论学家已经开始着手研究，是什么机制产生了如此让人困惑的结果。

为了解释PS1-10jh为何缺乏氢元素，Pan-STARRS团队提出，这个被瓦解的恒星可能在之前的某一个时刻，比如在和黑洞相互作用的过程中，已经失去了厚厚的氢包层，只剩下富含氦的核为吸积盘提供物质。但这样还不足以解释这次潮汐瓦解事件中非常奇怪的热矛盾——惊人的低温与大量需要很高温度才能产生的电离氦。为了解答这个谜团，其他理论学家提出一个假定，那就是在PS1-10jh中，黑洞周围的吸积盘实际上并没有被直接观测到。相反，天文学家观测到的是距离黑洞更加遥远的一层类似于面纱状的气体，它们吸收了由吸积盘产生的强烈辐射，然后以更低的温度重新辐射出来。这层面纱的额外好处是可以解释氢的缺乏，而不需要一个奇怪的、富含氦的星核作为这个潮汐瓦解事件的主角。只要温度合适，密度也较高，这样一层面纱完全有可能遮掩氢的存在，把氢隐藏起来。

但问题是，如果处在上文所说的距离上，这层厚厚的面纱状气体是不稳定的——随着时间流逝，这些气体要么掉入黑洞，要么消散得无影无踪。面纱状气体的起源也是激烈争论和研究的焦点，总的来说，面纱状气体的起源有两种可能性，这两种可能都与吸积黑洞的动力学有关。当被瓦解的恒星残留物围绕黑洞转动，形成一个逐步增长的吸积盘时，激波会像涟漪般从盘中向外传播，阻止外围的一些残留物直接掉落，形成一个临时的物质屏障。或者，一个刚发生的潮汐瓦解事件的吸积盘也许最初向内提供了非常多的物质，以至于在短时间内超过了黑洞吸积的极限，在黑洞外围形成的暂时的风或者外流，将恒星的一些残留物推出吸积盘，停留在更远的距离上。

天文学家提出了各种假设来解释PS1-10jh和接下来发现的其他潮汐瓦解事件，并试图自圆其说，他们越来越意识到：潮汐瓦解事件是一个比之前任何人预想的都要复杂的现象。但他们没有料到的是，更大的意外还在后面。

这个意外在2011年3月28日凌晨到来，一条自动产生的提示信息发送到了全世界多位天文学家的手机上。“雨燕”（Swift）刚刚探测到了来自深空的高能辐射脉冲。雨燕是一个灵活的空间望远镜，由美国航空航天局和意大利及英国的研究所合作建成，用于研究天空中所有类型的爆发天体。但雨燕的主要目标是伽马暴——一类灾变性恒星爆发，也是宇宙中最亮的天体物理事件。每当有伽马射线流进入雨燕的传感器，这个望远镜会迅速重新定位并在X射线和光学波段观测这个射线源，同时通知地面，触发一连串的地面观测项目。

一收到雨燕的提示信息，天文学家就会争相利用世界上最大、最强有力的望远镜，赶在伽马暴永远消失之前寻找任何与此相关的天文现象。自2004年发射以来，雨燕已经发现了1000多个伽马暴，但是这一次特殊事件（后来被称为Swift J1644+57），与这个望远镜之前发现的任何事件都不同。

就像它们的名字所示，伽马暴通常是短暂的，持续时间一般在零点几秒到几分钟之间。那年3月的清晨，我们将望远镜指向Swift J1644+57，本来期盼看到一个来自短时标伽马射线暴的、典型且逐渐消失的余辉，然而我们观测到了明亮、持续了一天的不规则伽马射线暴，之后是持续数月的剧烈且逐渐衰减的X射线辐射。很快，我们就确定这次爆发来自于38亿光年外、位于天龙座（constellation of Draco）的一个星系。我们的一位同事，加利福尼亚大学伯克利分校的约书亚·S·布卢姆（Joshua S. Bloom），注意到这个伽马射线源位于星系的中心——超大质量黑洞的栖息地，并且认为我们目睹了一次潮汐瓦解事件。尽管之前所有的潮汐瓦解事件都是在波长更长、能量更低的波段探测到的（这时，观测者看到的热辐射来自于由碎片恒星形成的吸积盘），但这次事件却完全不同。

一个潮汐瓦解事件是如何产生伽马射线的？我们能够想到的最好回答是：黑洞是个邋遢浪费的吃货。黑洞会吞噬被撕裂恒星的大部分气体，把它们永远锁定在事件视界（黑洞周围的一个边界，通过这个边界之后，包括光在内的任何物质都无法逃逸）之内。但所有黑洞可能都会自旋，因此可能把被撕裂恒星中百分之几的气体推向黑洞的两极方向（位于事件视界之外），在这里气体被加速，并以一束准直的、接近光速运动的粒子束的形式抛射出去。快速运动的粒子束急速穿过宇宙时，会辐射伽马射线和X射线。显然，雨燕碰巧处在Swift  J1644+57粒子束的传播路径上。这一次，我们的运气很好——并不是所有的潮汐瓦解事件都能产生这样的相对论性外流，并且大多数相对论性外流的确很可能出现在我们的观测视线之外。

探测到Swift J1644+57鼓舞了雨燕团队，他们开始努力寻找更多的类似事件。2017年初，又有两个辐射伽马射线喷流的潮汐瓦解事件被发现。这是恒星的“临终哭泣”，是最罕见和强烈的天文现象，为天文学家研究相对论性粒子喷流的产生和行为（这也是当代高能天体物理中最前沿的研究课题之一）提供了一种新方式。

黑洞吞噬恒星的全过程

潮汐瓦解事件给科学家提供了一个新窗口，他们可以通过观测来自吸积盘的热辐射，以及黑洞的喷流流出的伽马射线，来研究超大质量黑洞及其周围环境。最重要的是，类星体的喷流和吸积盘是大量气体云团在非常长的时标上，混乱地冲向超大质量黑洞时形成的，它们的尺度更大、持续时间也更长，而潮汐瓦解事件是短暂的、干脆利落的事件，更容易被研究。没有一个人的一生能够长到足以见证一个类星体的完整生命过程，但天文学家已经见证了20多个潮汐瓦解事件从爆发到结束的整个过程，并对此进行了研究。在这些恒星灾变的细节中，天文学家已经瞥见了一些诱人的奇怪现象，有待进行更深入的研究。通过精确观测来自潮汐瓦解事件的波动性耀发，天文学家不只可以研究黑洞，也可以研究几十亿光年之外被撕裂的恒星的细致组成和内部结构。

天文学家甚至还可以研究恒星的伴星——被黑洞吞没的行星。任何一个来自遥远星系中心的倏忽一闪都可能标志着一个世界的消亡。我们对银河系的恒星巡天显示，几乎每一个恒星周围都存在行星。所以，在其他星系中，即使不是全部，多数恒星周围也是存在行星的。如果发生潮汐瓦解事件，即使行星没有被直接撕裂，也有可能处在潮汐瓦解事件产生的暂现性相对论性喷流的路径上，这些喷流会在黑洞外延伸数光年。任何一个行星系统如果被这样的气体束击中，其上的生命都会很快灭亡（如果有生命的话）。或许有一天，天文学家也会在我们的“宇宙后院”中目睹潮汐瓦解事件——当某个恒星误入潜藏在银河系中心、有着400万个太阳质量的黑洞周围时，潮汐瓦解事件就会发生。届时，银河系中央将会变得非常明亮，但幸运的是，我们距离银河系中心足够远，潮汐瓦解事件最危险的影响不会波及到我们这里。

随着更为强大的巡天项目即将建成，越来越多潮汐瓦解事件将被发现，一个新时代即将到来。大口径全天巡视望远镜（LSST）是一个正在建设中的8米望远镜，位于智利，视场为10平方度，预计在它启用的第一个10年内，就将独自发现数千个这样的爆发。对于大口径全天巡视望远镜来说，它面临的最大的科学挑战将是，如何对发现的数量巨大的暂现源进行挑选。计划建造中的射电观测站（例如正在澳大利亚和南非建造的“平方千米阵列”）尤其适合用来发现相对论性喷流，即使这样的喷流是“偏轴”的（意味着它们没有直接沿着我们的视线方向传播）。在不远的将来，天文学家也许可以组建一个包含数千个潮汐瓦解事件（这比任何一个人一生可以研究的数目都要多）的星表，从而能够揭示这些超大质量黑洞的质量和行为，使它们不再是躲藏在星系中心无法接近的神秘幽灵。随着天文学家对潮汐瓦解事件的了解越来越深入，积累的知识越来越多，未来或许会出现革命性的发现。

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编辑：yangfz