超大質量黑洞如何吞噬恆星？你將看到整個過程

得益於新的大視場巡天項目，天文學家現在可以完整地見證黑洞「進食」恆星的整個過程。當一顆不幸的恆星出現在一個超大質量黑洞附近時，強烈的潮汐力會將恆星撕成碎片。這些碎片會形成吸積盤，緩慢墜入黑洞，這一過程發出的輻射就像恆星的「臨終哭泣」，會使先前休眠的黑洞暫時變得比星系中的所有恆星都要亮，成為宇宙中最明亮的焰火。

撰文?S·布拉德利·岑科（S. Bradley Cenko）

尼爾·格雷爾斯（Neil Gehrels）

翻譯?董燕婷?李東悅

審校?苟利軍

在銀河系和其他幾乎每一個大星系的中心，都潛藏著一個深層的宇宙奧秘——一個超大質量黑洞。這些天體把數百萬至數十億個太陽的質量壓縮到比太陽系還小的區域內，它們是如此奇怪，以至於看起來非常神秘。還沒有科學家能夠解釋，自然界是如何將這麼多物質壓縮到如此小的空間中。但可以肯定的是，超大質量黑洞伸出了無形的「引力之手」，以深刻而微妙的方式影響周圍星系的形成。科學家希望通過研究這些幽靈般的黑洞的生長及行為，揭開星系誕生和演化的秘密。

但問題是，超大質量黑洞不發光，它們大部分時間都在休眠，我們看不見。只有當它們「進食」時，才會蘇醒過來，但超大質量黑洞的食物極其少有，因為圍繞它們旋轉的大多數氣體、灰塵和恆星都待在穩定的軌道上，超大質量黑洞根本吃不到。它們總是很飢餓，每當有數量可觀的東西恰巧掉入時，超大質量黑洞就會「瘋狂進食」，這一現象從非常非常遠的地方就能看到。

在過去半個世紀的大部分時間裡，科學家主要通過觀測類星體來研究這類正在享受盛宴的黑洞。類星體在1963年由天文學家馬騰·施密特（Maarten Schmidt）發現，它們是活動星系的超亮中心，每一個都比數十億個太陽還亮，無論你處在宇宙的哪個角落，都可以觀測到它們。當大量氣體塵埃沖向一個超大質量黑洞，繞黑洞轉動時，會發熱發光，持續數十萬或數百萬年，在這個時候就被認為形成了類星體。

然而，類星體並不是理想的研究對象。它們是一些極端事件，通常都相當遙遠且相對罕見，其生命周期只構成了超大質量黑洞一生的一小部分。因此，它們提供的視角很有限，天文學家無法由此獲知我們星系的超大質量黑洞平常是如何「進食」和生長的。雖然研究人員還可觀測圍繞超大質量黑洞快速轉動的恆星，通過計算恆星的速度來研究它們，但這種方法只適用於非常近的天體——比如位於銀河系和臨近星系中的天體，只有在這個範圍內，當前的望遠鏡才可以分辨出單個恆星。

1988年，英國天文學家馬丁·里斯（Martin Rees）提出了研究超大質量黑洞的第三種方法——直到最近，這種方法才真正顯示出了它的優越性。天文學家可以通過尋找來源於黑洞附近短暫而明亮的光芒來研究黑洞。這類爆發被稱為潮汐瓦解事件（tidal disruption event，TDE），當一個超大質量黑洞吞噬一顆不幸的恆星時就會發生。潮汐瓦解事件會持續幾個月而非幾千年，研究人員可以完整地見證從「進食」開始至結束的整個過程，並且在這個過程中黑洞周圍足夠明亮，不管是發生在附近還是遙遠的星系中，我們都能夠觀測到。

潮汐力瓦解恆星

潮汐瓦解事件非常劇烈，遠非海岸邊沖走遊客浴巾的潮水能比。不過，兩者在原理上有相同之處。地球上的潮汐主要由月球的引力拖拽引起，即在靠近月球的一側，地球受到的拉拽更強。月球對地球遠端和近端的引力差被稱為潮汐力。在地球朝向月球的一側，潮汐力會產生一個高潮，有點反常的是，它也會在相反的一面產生一個高潮，當然潮汐力也會產生一個相應的低潮，不過是在與地月軸線的夾角為90度的地方。當一顆恆星在一個超大質量黑洞附近時——可能是被附近另一顆恆星的引力推到那裡的——強烈的潮汐力可以將它撕成碎片。

這顆恆星將以哪種方式消亡，取決於恆星和超大質量黑洞的大小。一個小而緻密的天體，例如白矮星，抵抗潮汐力的能力遠比一個更大、更蓬鬆的類太陽恆星強，這類似於一個保齡球比一團棉花糖更難撕裂。最大的超大質量黑洞具有數十億倍太陽質量，它們太大了，大到無法引起潮汐瓦解事件——在潮汐力撕裂恆星之前，它們就已經吞噬了整個恆星。相反，數百萬個太陽質量的黑洞周圍的潮汐力將會撕裂距它約5000萬千米（約為水星與太陽的距離）內的大多數恆星。

雖然撕裂一顆恆星這樣的大規模事件已經夠壯觀了，但這還只是一場煙花表演的開始。在恆星被撕裂之後，碎片將分散開，逐漸偏離恆星的原始軌道。基礎軌道力學指出，大約一半的碎片將被排出，成為從黑洞附近流出的纖長細絲，而另一半則旋繞黑洞，形成一個吸積盤 ——一種緩慢落入黑洞的螺旋環結構。當吸積盤的物質落入黑洞時，會加速至接近光速，並在引力和摩擦力的壓縮和加熱下，溫度不斷升高，在接近250 000℃時會開始發光。在幾周或幾個月的時間內，一次典型的潮汐瓦解事件將導致先前休眠和看不見的黑洞暫時比星系中的所有恆星都要亮。

宇宙中最亮的焰火

雖然理論學家在幾十年前就預言了潮汐瓦解事件的存在，但直到20世紀90年代和21世紀初，天文學家才真正觀察到這一現象。之所以花了這麼長時間才觀察到，是因為潮汐瓦解事件非常稀有——據估計，在銀河系這樣的星系中，每10萬年才發生一次潮汐瓦解事件。這類事件也很難觀測到。簡單的理論模型表明，潮汐瓦解事件中，吸積盤的發光峰值應該在電磁光譜上所謂的軟X射線或遠紫外部分。但由於星際塵埃和地球大氣的干擾，科學家難以從地面上對這個波段進行觀測。

同樣的模型還表明，天文學家可以利用潮汐瓦解事件對黑洞質量進行相對精確的估計。質量是一個關鍵數據，可以幫助天文學家解釋黑洞的大小是如何影響自身行為及所在星系環境的。要測量黑洞的質量，天文學家只需簡單測定潮汐瓦解事件達到峰值亮度所花的時間（它揭示了吸積盤形成和黑洞「進食」的速度）。潮汐瓦解事件是如此明亮，研究人員可以利用它們確定更遙遠的超大質量黑洞的質量，這一點其他任何已知現象都辦不到。

根據倫琴X射線天文台（ROSAT）和星系演化探測器（Galaxy Evolution Explorer）紫外空間望遠鏡的數據，天文學家發現了第一批潮汐瓦解事件候選者。它們是一些爆發事件，持續時間從幾周到幾個月，而且位置處於先前休眠的星系中心。作為早期理論預測的現象的首批潛在觀測證據，這些發現對建立一個全新的研究領域格外重要。然而，由於這些證據主要是從舊數據中發現的，天文學家錯失了在多個波段上實時研究它們的時機，無法揭開最深層次的秘密。而要想在潮汐瓦解事件剛發生時就發現它們，天文學家必須非常幸運，或是持續不斷地在廣闊的天空搜尋。

幸運的是，過去10年中，數據存儲和感測器的穩步發展使這種雄心勃勃的巡天項目成為可能。現在，一台高端光學相機能在單次快照中對一平方度或更多的天空區域成像，這種情況類似於在通過「管窺」的方式觀察研究天文事件多年後，突然用全景鏡頭去觀察天空。通過反覆進行大面積巡天，並以數字化的方式合并得到的圖像，剔除暗弱的臨時特徵，天文學家現在能更容易地發現和研究潮汐瓦解事件和一系列其他暫現天體物理現象。這些新的大視場巡天，例如全景巡天望遠鏡和快速響應系統（Panoramic Survey Telescope and the Rapid Response System，Pan-STARRS，簡稱泛星計劃）、帕洛馬暫現源工廠（Palomar Transient Factory，PTF）和全天空自動超新星巡天（All-Sky Automated Survey for Supernovae，ASAS-SN）主要設計用於識別超新星和小行星，但除此之外，它們還可以做更多。因為它們每晚可以對數百萬個星系成像，對潮汐瓦解事件這類更奇異的暫現現象也很敏感。

類星體是宇宙的燈塔，它們形成於超大質量黑洞「進食」星系氣體時，但對研究超大質量黑洞是如何「進食」的天文學家來說，此類罕見、遙遠並遲緩的事件，並不是理想的研究對象。天文學家現在正在監測那些吞食單個恆星的巨大黑洞。

目睹黑洞吞噬恆星

2010年，在Pan-STARRS開始運行後不久，美國天文學家蘇維·吉扎里（Suvi Gezari）帶領的團隊發現了一次潮汐瓦解事件（被稱作PS1-10jh）, 這一事件發生在質量約為200萬個太陽的黑洞周圍，所在星系距離地球約27億光年。由於這次事件是在數據收集後很短時間內發現的，吉扎里和同事第一次能夠在後續的光學和紫外波段觀測和研究它。他們的發現非常令人吃驚。

從光譜來看，這次特殊的潮汐瓦解事件顯得非常「冷」，溫度大約在30 000℃，還不到大多數吸積盤基本理論預言的1/8。而且，PS1-10jh並沒有隨著吸積盤的冷卻和消散在數周內逐漸消失，而是在初次發現後的很多個月內都維持溫度不變。最奇怪的是，Pan-STARRS在PS1-10jh的餘輝中探測到了電離氦的信號——這隻有在溫度超過100 000℃時才可能產生。此外，雖然天文學家在這一潮汐瓦解事件中探測到了大量的氦，但似乎沒有探測到氫——宇宙中丰度最高的元素，同時也是恆星的主要元素。理論學家已經開始著手研究，是什麼機制產生了如此讓人困惑的結果。

為了解釋PS1-10jh為何缺乏氫元素，Pan-STARRS團隊提出，這個被瓦解的恆星可能在之前的某一個時刻，比如在和黑洞相互作用的過程中，已經失去了厚厚的氫包層，只剩下富含氦的核為吸積盤提供物質。但這樣還不足以解釋這次潮汐瓦解事件中非常奇怪的熱矛盾——驚人的低溫與大量需要很高溫度才能產生的電離氦。為了解答這個謎團，其他理論學家提出一個假定，那就是在PS1-10jh中，黑洞周圍的吸積盤實際上並沒有被直接觀測到。相反，天文學家觀測到的是距離黑洞更加遙遠的一層類似於面紗狀的氣體，它們吸收了由吸積盤產生的強烈輻射，然後以更低的溫度重新輻射出來。這層面紗的額外好處是可以解釋氫的缺乏，而不需要一個奇怪的、富含氦的星核作為這個潮汐瓦解事件的主角。只要溫度合適，密度也較高，這樣一層面紗完全有可能遮掩氫的存在，把氫隱藏起來。

但問題是，如果處在上文所說的距離上，這層厚厚的面紗狀氣體是不穩定的——隨著時間流逝，這些氣體要麼掉入黑洞，要麼消散得無影無蹤。面紗狀氣體的起源也是激烈爭論和研究的焦點，總的來說，面紗狀氣體的起源有兩種可能性，這兩種可能都與吸積黑洞的動力學有關。當被瓦解的恆星殘留物圍繞黑洞轉動，形成一個逐步增長的吸積盤時，激波會像漣漪般從盤中向外傳播，阻止外圍的一些殘留物直接掉落，形成一個臨時的物質屏障。或者，一個剛發生的潮汐瓦解事件的吸積盤也許最初向內提供了非常多的物質，以至於在短時間內超過了黑洞吸積的極限，在黑洞外圍形成的暫時的風或者外流，將恆星的一些殘留物推出吸積盤，停留在更遠的距離上。

天文學家提出了各種假設來解釋PS1-10jh和接下來發現的其他潮汐瓦解事件，並試圖自圓其說，他們越來越意識到：潮汐瓦解事件是一個比之前任何人預想的都要複雜的現象。但他們沒有料到的是，更大的意外還在後面。

來自「雨燕」的震撼

這個意外在2011年3月28日凌晨到來，一條自動產生的提示信息發送到了全世界多位天文學家的手機上。「雨燕」（Swift）剛剛探測到了來自深空的高能輻射脈衝。雨燕是一個靈活的空間望遠鏡，由美國航空航天局和義大利及英國的研究所合作建成，用於研究天空中所有類型的爆發天體。但雨燕的主要目標是伽馬暴——一類災變性恆星爆發，也是宇宙中最亮的天體物理事件。每當有伽馬射線流進入雨燕的感測器，這個望遠鏡會迅速重新定位並在X射線和光學波段觀測這個射線源，同時通知地面，觸發一連串的地面觀測項目。

一收到雨燕的提示信息，天文學家就會爭相利用世界上最大、最強有力的望遠鏡，趕在伽馬暴永遠消失之前尋找任何與此相關的天文現象。自2004年發射以來，雨燕已經發現了1000多個伽馬暴，但是這一次特殊事件（後來被稱為Swift J1644+57），與這個望遠鏡之前發現的任何事件都不同。

就像它們的名字所示，伽馬暴通常是短暫的，持續時間一般在零點幾秒到幾分鐘之間。那年3月的清晨，我們將望遠鏡指向Swift J1644+57，本來期盼看到一個來自短時標伽馬射線暴的、典型且逐漸消失的餘輝，然而我們觀測到了明亮、持續了一天的不規則伽馬射線暴，之後是持續數月的劇烈且逐漸衰減的X射線輻射。很快，我們就確定這次爆發來自於38億光年外、位於天龍座（constellation of Draco）的一個星系。我們的一位同事，加利福尼亞大學伯克利分校的約書亞·S·布盧姆（Joshua S. Bloom），注意到這個伽馬射線源位於星系的中心——超大質量黑洞的棲息地，並且認為我們目睹了一次潮汐瓦解事件。儘管之前所有的潮汐瓦解事件都是在波長更長、能量更低的波段探測到的（這時，觀測者看到的熱輻射來自於由碎片恆星形成的吸積盤），但這次事件卻完全不同。

一個潮汐瓦解事件是如何產生伽馬射線的？我們能夠想到的最好回答是：黑洞是個邋遢浪費的吃貨。黑洞會吞噬被撕裂恆星的大部分氣體，把它們永遠鎖定在事件視界（黑洞周圍的一個邊界，通過這個邊界之後，包括光在內的任何物質都無法逃逸）之內。但所有黑洞可能都會自旋，因此可能把被撕裂恆星中百分之幾的氣體推向黑洞的兩極方向（位於事件視界之外），在這裡氣體被加速，並以一束準直的、接近光速運動的粒子束的形式拋射出去。快速運動的粒子束急速穿過宇宙時，會輻射伽馬射線和X射線。顯然，雨燕碰巧處在Swift J1644+57粒子束的傳播路徑上。這一次，我們的運氣很好——並不是所有的潮汐瓦解事件都能產生這樣的相對論性外流，並且大多數相對論性外流的確很可能出現在我們的觀測視線之外。

探測到Swift J1644+57鼓舞了雨燕團隊，他們開始努力尋找更多的類似事件。2017年初，又有兩個輻射伽馬射線噴流的潮汐瓦解事件被發現。這是恆星的「臨終哭泣」，是最罕見和強烈的天文現象，為天文學家研究相對論性粒子噴流的產生和行為（這也是當代高能天體物理中最前沿的研究課題之一）提供了一種新方式。

黑洞吞噬恆星的全過程

一個世界的消亡

潮汐瓦解事件給科學家提供了一個新窗口，他們可以通過觀測來自吸積盤的熱輻射，以及黑洞的噴流流出的伽馬射線，來研究超大質量黑洞及其周圍環境。最重要的是，類星體的噴流和吸積盤是大量氣體雲團在非常長的時標上，混亂地沖向超大質量黑洞時形成的，它們的尺度更大、持續時間也更長，而潮汐瓦解事件是短暫的、乾脆利落的事件，更容易被研究。沒有一個人的一生能夠長到足以見證一個類星體的完整生命過程，但天文學家已經見證了20多個潮汐瓦解事件從爆發到結束的整個過程，並對此進行了研究。在這些恆星災變的細節中，天文學家已經瞥見了一些誘人的奇怪現象，有待進行更深入的研究。通過精確觀測來自潮汐瓦解事件的波動性耀發，天文學家不只可以研究黑洞，也可以研究幾十億光年之外被撕裂的恆星的細緻組成和內部結構。

天文學家甚至還可以研究恆星的伴星——被黑洞吞沒的行星。任何一個來自遙遠星系中心的倏忽一閃都可能標誌著一個世界的消亡。我們對銀河系的恆星巡天顯示，幾乎每一個恆星周圍都存在行星。所以，在其他星系中，即使不是全部，多數恆星周圍也是存在行星的。如果發生潮汐瓦解事件，即使行星沒有被直接撕裂，也有可能處在潮汐瓦解事件產生的暫現性相對論性噴流的路徑上，這些噴流會在黑洞外延伸數光年。任何一個行星系統如果被這樣的氣體束擊中，其上的生命都會很快滅亡（如果有生命的話）。或許有一天，天文學家也會在我們的「宇宙後院」中目睹潮汐瓦解事件——當某個恆星誤入潛藏在銀河系中心、有著400萬個太陽質量的黑洞周圍時，潮汐瓦解事件就會發生。屆時，銀河系中央將會變得非常明亮，但幸運的是，我們距離銀河系中心足夠遠，潮汐瓦解事件最危險的影響不會波及到我們這裡。

隨著更為強大的巡天項目即將建成，越來越多潮汐瓦解事件將被發現，一個新時代即將到來。大口徑全天巡視望遠鏡（LSST）是一個正在建設中的8米望遠鏡，位於智利，視場為10平方度，預計在它啟用的第一個10年內，就將獨自發現數千個這樣的爆發。對於大口徑全天巡視望遠鏡來說，它面臨的最大的科學挑戰將是，如何對發現的數量巨大的暫現源進行挑選。計劃建造中的射電觀測站（例如正在澳大利亞和南非建造的「平方千米陣列」）尤其適合用來發現相對論性噴流，即使這樣的噴流是「偏軸」的（意味著它們沒有直接沿著我們的視線方向傳播）。在不遠的將來，天文學家也許可以組建一個包含數千個潮汐瓦解事件（這比任何一個人一生可以研究的數目都要多）的星表，從而能夠揭示這些超大質量黑洞的質量和行為，使它們不再是躲藏在星系中心無法接近的神秘幽靈。隨著天文學家對潮汐瓦解事件的了解越來越深入，積累的知識越來越多，未來或許會出現革命性的發現。

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