不一樣的焰火：黑洞撕裂恆星事件及其引發的相對論性射電噴流

中科院青促會 安濤

（中科院上海天文台）

評述論文：A dust-enshrouded tidal disruption event with aresolved radio jet in a galaxy merger（SCIENCE15 JUNE 2018: Vol 360, Issue 6394）

黑洞撕裂恆星事件（以下簡稱TDE）指的是，當一顆恆星過於靠近超大質量黑洞的時候會被其強大的潮汐力撕裂瓦解，一半物質被拋射掉，剩餘一半被黑洞吸積，釋放出巨大能量，直接導致X射線、紫外和光學波段的劇烈暴發，可持續數月之久，成為天空中耀眼的「焰火」。TDE理論早在30多年前就已經提出，但受到觀測條件的限制，之後相當長時間裡並沒有取得顯著進展。直到最近十年隨著大型地面和空間望遠鏡探測能力的提升，TDE被陸續發現並不斷取得重要進展，成為天體物理研究的熱點。宇宙中絕大多數星系核心的超大黑洞在絕大部分時間處於休眠狀態，這樣狀態下的黑洞是無法被觀測到的，而當TDE發生後情況就完全不一樣了，原本寧靜的黑洞變得異常活躍起來。可以說，TDE喚醒了休眠的黑洞，為研究這類分布更廣泛的黑洞提供了機會，為檢驗超大黑洞的吸積理論以及相對論性噴流的產生模型提供寶貴數據。

在本期科學雜誌中，由歐洲學者牽頭的國際合作團隊報道了一個發生在2005年的星系核心超級暴發事件的最新觀測研究結果，該工作為TDE研究提供了新的思路。該爆發事件發生在併合星系Arp299的一個星系核心（命名為Arp299-B AT1，圖1）。

圖1. 發生在併合星系Arp299中的TDE事件（Arp299-BAT1）。

A）哈勃太空望遠鏡在多個波段拍攝圖像的合成圖片；B）和C）分別是近紅外望遠鏡在2.2微米波段拍攝的爆發前和爆發後的圖片，可以看出，命名為B1的天體在2007年明顯增亮。D）利用分布全球的望遠鏡組成的甚長基線干涉測量（VLBI）網於2005-2015年之間在8.4GHz頻率上獲得的四次觀測圖像，清晰地顯示出射電結構向右上方向運動，計算顯示噴流的激波前沿平均運動速度達到0.25倍光速，表明在爆發過程中產生了相對論性噴流。這一重要結果表明超愛丁頓吸積的TDE事件在一定條件下能夠產生相對論性噴流。

剛發現的時候，它曾被認定是超新星，其紅外和射電波段的峰值光度甚至超過了整個星系核心區域。經過長達十年的數據積累，該團隊獲得了近紅外和射電波段的光變曲線，對輻射區的大小、塵埃溫度、爆發的能量有了新的認識。從多曆元的高解析度射電圖像獲得暴發源的延展結構，計算得到膨脹速度，可以明確地排除超新星和伽瑪暴的可能性，該團隊得出的結論更加傾向於這是一次發生在併合星系核心的黑洞撕裂恆星事件。為什麼在軟X射線、紫外和可見光波段沒有觀測到這顆暴發源呢？論文給出的解釋是，暴發過程產生的大量的光子被圍繞星系核心的塵埃環吸收了，觀測到的紅外輻射也不是直接來自星系核心，而是處於塵埃環極區的塵埃吸收吸積盤發出的軟X射線以及紫外和可見光波段的輻射後再次在紅外波段發出。射電輻射因為不會受到消光的影響，天文學家得以多次拍攝到射電噴射物的結構，並跟蹤其變化，測量出噴流激波前沿的膨脹速度是0.25倍光速，從而確定了相對論性噴流的方向與視線方向夾角約30度（如圖2所示）。

圖2:用於解釋Arp299-BAT1紅外和射電觀測性質的示意圖。

位於星系核心的超大質量黑洞（太陽質量的2千萬倍）撕裂了一個2-6.5倍太陽質量的恆星，因為黑洞和吸積盤被厚厚的塵埃環遮擋，雖然伴隨TDE過程中在光學、紫外和軟X射線波段都產生了強烈輻射，但被塵埃環吸收而無法被地球觀測者接收到。不過，這些巨大的輻射能量被位於塵埃環兩極方向上的塵埃吸收後再次以紅外輻射形式，從而有幸被地面和空間近紅外望遠鏡探測到。塵埃的吸收對無線電波是不起作用的，而且射電波段的甚長基線干涉測量（VLBI）技術是解析度最高的天文觀測方法，能夠觀測到射電噴射物的細節結構。射電望遠鏡在精確定位TDE噴射物質以及跟蹤其結構變化中發揮了不可替代的作用。VLBI圖像顯示相對論性噴流與地球方向夾角約30度噴出。

該研究豐富了對超新星暴發和黑洞撕裂恆星事件的認識。首先，該工作對併合星系的核心更容易產生TDE的觀點給出了觀測支持，為尋找TDE指出了新的方向。伴隨著星系併合過程，大量的氣體和塵埃向併合星系的中心聚集，由此產生了大量的恆星形成活動。星系核心變得異常熱鬧，新產生大量的大質量恆星，併合星系被譽為「超新星工廠」。由此可知，發生TDE的概率也遠遠超出正常的不活躍星系（比如，銀河系）。不禁感嘆，我們生活在相對寧靜的銀河系，而且是在「郊區」，相當安全和幸運了。從另一個角度也提示人們，當在星系核心區域發現暴發天體時，除了常規考慮的超新星和伽瑪暴，TDE的可能性也不容忽視。其次，射電望遠鏡在TDE噴射物的長期監測中發揮了關鍵作用。儘管併合星系的TDE概率高，但在觀測上存在不利因素：星系中心的塵埃消光非常嚴重，來自星系核心的可見光、紫外甚至軟X射線都被吸收了無法觀測。但好在天文學家仍然得到眷顧，射電（無線電波）輻射受到消光的影響很小，為觀測TDE留下來一扇窗戶。TDE通常認為是超Eddington吸積，是否能在短暫吸積之後即產生準直的噴流，一直是有待觀測檢驗的懸念，該研究表明TDE事件確實能產生相對論性噴流。但需要認識到，成功探測到Arp299-BAT1也存在幸運因素，那就是，它的噴流基本上是指向觀測者的，因此噴流的亮度經過多普勒效應被放大。更多的噴流偏離視線方向，就極大地增加了觀測難度。換句話說，本次觀測僅是一次特殊的非典型性TDE事件，更多的TDE由於消光無法在光學監測中被發現，或者射電噴流沒有被多普勒效應放大亮度而無法獲得清晰的射電噴流結構。正因為此類觀測事件稀有，任何新的發現都具有極高的研究價值。最後，TDE過程中釋放了大量的能量，該研究發現這些能量被塵埃微粒快速有效地吸收後，通過紅外光線發射出去，這會導致光學波段的能量急速降低，從而解釋了長期以來觀測到的TDE光學亮度遠遠低於模型預期值的疑惑。

*本文僅代表作者本人觀點，不代表Science科學雜誌及AAAS美國科學促進會觀點。

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