吞星暴露黑洞的“吃相”：科學(xué)家發(fā)現(xiàn)觀察黑洞新視角

由于奇點(diǎn)巨大的引力，就算是光也難以逃脫黑洞，因此黑洞通常難以被觀測和研究。此前，人們觀測它們的方法有三：一是通過“監(jiān)聽”宇宙中由黑洞碰撞引發(fā)的引力波；二是通過制作龐大的星系地圖，然后根據(jù)觀測到的引力現(xiàn)象判斷黑洞的所在位置；三是等待有氣體被黑洞吞噬，觀測在吞噬過程中放出的輻射。

而現(xiàn)在的研究人員們有了一個(gè)新的選擇，他們可以通過潮汐破壞事件（TDEs， tidal disruption events）對黑洞進(jìn)行觀測。潮汐破壞事件一般會發(fā)生在恒星被大質(zhì)量黑洞捕獲的過程中，被捕獲的恒星會被黑洞一分為二，其大部分質(zhì)量會被黑洞吞噬，就像是被熊捕獲的一只三文魚。加州大學(xué)圣克魯茲分校的天體物理學(xué)家 Enrico Ramirez-Ruiz 說：“對我來說，這聽上去簡直像是科幻小說?！?img alt="" src="https://cimg.fx361.com/images/2018/09/30/qkimageshwxyhwxy201818hwxy20181836-1-l.jpg"/>

而在過去的幾年里，有關(guān)潮汐破壞事件的研究也已經(jīng)從“科幻小說”過渡到了應(yīng)用階段。

黑洞吞星并不罕見

科學(xué)家們每天可以從宇宙中觀測到二十幾次潮汐破壞事件，其中的一些怪異而持久。今年 6 月，一項(xiàng)發(fā)表于 Nature Astronomy 期刊上的研究描述了從一組恒星中爆發(fā)出的 X 光射線，并將其解釋為是一個(gè)中型黑洞正在吞噬恒星。同月，另一組科學(xué)家在 Science 雜志上發(fā)表了他們的研究，認(rèn)為他們或已發(fā)現(xiàn)迄今最亮的潮汐破壞事件。

而這些發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)生，與近年來的潮汐破壞事件理論框架不斷完善有著很大的關(guān)系，因?yàn)榫驮诮衲?5 月，一群天體物理學(xué)家提出了潮汐破壞事件的新理論模型，解釋了為什么盡管有時(shí)不同潮汐破壞事件所呈現(xiàn)的特征不同，但它們都可能基于同一個(gè)的物理過程。

天文學(xué)家們希望能通過解碼潮汐破壞事件，對宇宙中的黑洞進(jìn)行一次普查。潮汐破壞事件通過將大多數(shù)不可見黑洞的信息“泄露”給天文學(xué)家，揭示了宇宙中的隱藏質(zhì)量。而本次發(fā)表于 Nature Astronomy 上的論文，便闡述了如何能通過潮汐破壞事件發(fā)現(xiàn)中等質(zhì)量黑洞。這些中等質(zhì)量黑洞的質(zhì)量大約從幾百個(gè)太陽到幾百萬個(gè)太陽之間。

除了理論上的進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)學(xué)家們也在嘗試對借用潮汐破壞事件的方法進(jìn)行實(shí)踐，比如有人開始用潮汐破壞事件研究黑洞內(nèi)的物理，驗(yàn)證黑洞是否如廣義相對論所預(yù)測的那樣存在事件視界（event horizon）。據(jù)廣義相對論，在事件視界內(nèi)的任何事件皆無法對視界外的觀察者產(chǎn)生影響。

與此同時(shí)，對于潮汐破壞事件的觀測也在增加，比如于今年 3 月在加州 Palomar 天文臺的茲威基瞬變設(shè)施開始進(jìn)行星空普查。此前的觀測發(fā)現(xiàn)每年會出現(xiàn)一到兩個(gè)新的潮汐破壞事件，而隨著未來觀測資源的不斷投入，這一數(shù)字或?qū)⑸仙粋€(gè)數(shù)量級。

潮汐破壞事件觀測法的先驅(qū)者之一，茲威基瞬變設(shè)施的潮汐破壞事件項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，馬里蘭大學(xué)的 Suvi Gezari 說：“該領(lǐng)域的確正在蓬勃發(fā)展，現(xiàn)在的人們已經(jīng)開始在借潮汐破壞事件來挖掘宇宙中的隱藏信息?！痹搱F(tuán)隊(duì)在開始的幾個(gè)月已捕捉到了幾個(gè)潛在的潮汐破壞事件。

隨著越來越多的潮汐破壞事件被發(fā)現(xiàn)，天文學(xué)家們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 Martin Rees 最初的設(shè)想，即通過潮汐破壞事件精確定位和研究大型黑洞。但如何解釋潮汐破壞事件和預(yù)言這些潮汐破壞事件的物理性質(zhì)目前還尚無定論。但出乎天文學(xué)家們預(yù)料的是，已知的潮汐破壞事件都獨(dú)具一格，自成一派。有些似乎主要發(fā)出紫外線和可見光，就像是一團(tuán)氣體被加熱到至了數(shù)萬度，有些則主要發(fā)出 X-射線，溫度較前者高出一個(gè)量級。但據(jù)推測，它們理應(yīng)具有相同的物理過程。

一顆恒星在足夠接近黑洞后會被捕獲，黑洞的引力潮汐所產(chǎn)生的作用力大小超過了恒星的內(nèi)部引力，進(jìn)而引發(fā)了潮汐破壞事件。換句話說，黑洞在恒星的近端和遠(yuǎn)端 （距黑洞中心的近遠(yuǎn)） 所造成的引力差異，以及恒星在黑洞周圍擺動(dòng)時(shí)所受的慣性拉力，將恒星拉伸成了一條“溪流”。

恒星的外半部分會逃回太空，但密度較高的內(nèi)半部分會旋入黑洞，升溫并以輻射的形式釋放出巨大能量。

哈佛-史密松天體物理中心的天體物理學(xué)家，James Guillochon 說：“潮汐破壞事件其實(shí)就是恒星經(jīng)過黑洞時(shí)被拉扯的不成樣子，最終被撕裂?！?/p>

雖然構(gòu)想出了初步的潮汐破壞事件形成理論，但這還不足以解釋為什么不同潮汐破壞事件間的差異如此明顯。有一種假設(shè)認(rèn)為，這與黑洞處于吞噬恒星內(nèi)半部分的不同階段有關(guān)。當(dāng)恒星最初被撕開并拉伸成一條“溪流”時(shí)，它可能會在黑洞周圍跳彈并撞到自己軌跡的尾部，這可能會使尾部加熱到產(chǎn)生紫外線的溫度，但尾部溫度不會再變的比這更高。隨后，在短則幾個(gè)月，長則一年的時(shí)間過后，這顆恒星會堆積成一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的吸積盤（accretion disk），理論上其溫度應(yīng)該足以向外放出 X 射線。

但也存在著其它可能的解釋，由尼爾斯玻爾研究所的 Jane Lixin Dai 團(tuán)隊(duì)和 Ramirez-Ruiz 認(rèn)為，根據(jù)他們的模擬，廣義相對論造成影響或能解釋這一問題，只需調(diào)整觀測的角度，兩種不同的潮汐破壞事件便有可能呈現(xiàn)為同一形態(tài)。詳細(xì)來說，如果天文學(xué)家從頂部觀測這類高速旋轉(zhuǎn)的盤，他們可以看到來自內(nèi)側(cè)發(fā)熱物質(zhì)產(chǎn)生的 X 射線向內(nèi)旋轉(zhuǎn)。而當(dāng)此盤處于黑洞邊緣時(shí)，較冷的氣體會吸收這些 X 射線并放出紫外線。

最終，理論家希望將不同的潮汐破壞事件都看作是源于同一物理過程，然后進(jìn)行更深入的科學(xué)研究。Kochanek 說：“也許我們會學(xué)到一些關(guān)于吸積（accretion）的基本知識，或許就像云朵的形狀各異一樣，潮汐破壞事件也有著類似的可隨意變換的特征?！?h3>“一斑窺豹”：潮汐破壞事件透露黑洞信息

此前，那些超大質(zhì)量，統(tǒng)治星系的黑洞中，只有約 10%會因吞噬周圍氣體而發(fā)出輻射，剩余 90%對天文學(xué)家來說都是完全不可見的。但潮汐破壞事件理論和觀測的不斷成熟改變了這一點(diǎn)。

波恩馬克斯普朗克射電天文研究所的天文學(xué)家，Komossa 希望能找到更多的超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)，即兩個(gè)黑洞在雙方的星系碰撞后被迫呆在一起。在一個(gè)超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)中，當(dāng)一顆恒星被撕碎，流入一個(gè)黑洞時(shí)，另一個(gè)黑洞會牽扯這些被撕碎的恒星物質(zhì)，潮汐破壞事件因此會變的時(shí)暗示亮，而非穩(wěn)定地逐漸變暗。

也有團(tuán)隊(duì)想驗(yàn)證一個(gè)更為基本的，怪異的相關(guān)性——不知為何，位于星系中央的黑洞與其主星系的質(zhì)量似乎會同時(shí)增加。Ramirez-Ruiz 說：“黑洞似乎知曉星系的質(zhì)量，而潮汐破壞事件可以加強(qiáng)或削弱這種相關(guān)性。”

潮汐破壞事件還可以為周圍可能的大質(zhì)量黑洞謎題提供解釋。雖然已知最大的黑洞的重量可以達(dá)到太陽的 100 億倍，但天文學(xué)家目前尚不清楚較小的矮星系是否會由成比例的黑洞（數(shù)十萬倍太陽質(zhì)量以下的黑洞）所統(tǒng)治。

Richo Ramirez-Ruiz 幫助創(chuàng)建了潮汐破壞事件的理論模型，揭示了它們從不同方向被觀察時(shí)所呈現(xiàn)的不同形態(tài)。

通過潮汐破壞事件觀測中等質(zhì)量黑洞，還能幫助天文學(xué)家進(jìn)一步了解黑洞的形成過程。一篇于六月發(fā)表在 Nature Astronomy 的論文聲稱已經(jīng)找到了一個(gè)這種中型黑洞，重達(dá)數(shù)萬太陽質(zhì)量。論文中的潮汐破壞事件事件于 2003 年被發(fā)現(xiàn)，在 2006 年達(dá)到頂峰，然后在接下來的十年中逐漸減弱。在該事件中，X 射線耀斑沒有出現(xiàn)在星系的中心，而是出現(xiàn)在可以從恒星合并中進(jìn)一步合并的地方。領(lǐng)導(dǎo)研究的新罕布什爾大學(xué)天體物理學(xué)家，Dacheng Lin 說：“我們需要找到更多相似的事件，以驗(yàn)證我們的結(jié)果?！?/p>

隨著目標(biāo)深入，潮汐破壞事件也開始被用于驗(yàn)證由廣義相對論所描述的黑洞是否準(zhǔn)確。例如，隨著黑洞的質(zhì)量不斷增加，廣義相對論認(rèn)為黑洞的事件視界將穩(wěn)定向外蔓延。但黑洞潮汐能夠撕裂恒星的半徑增加得更慢，在 Hills 質(zhì)量（約為一億倍太陽質(zhì)量）的理論極限中，黑洞內(nèi)的撕裂半徑與其自身的邊界完全重合，給潮汐破壞事件帶來質(zhì)量上限。哥倫比亞大學(xué)的理論天體物理學(xué)家，Nicholas Stone 說：“在黑洞質(zhì)量小于 Hills 質(zhì)量的情況下，位于邊界外的被捕獲恒星僅會被黑洞撕裂，而在黑洞質(zhì)量比 Hills 質(zhì)量大的情況下，被卷入邊界內(nèi)的恒星則會被整個(gè)吞噬。”

現(xiàn)有的觀測數(shù)據(jù)支持這一設(shè)想，已知的潮汐破壞事件都發(fā)生在重量小于 Hills 質(zhì)量的黑洞周圍，這表明較重的物體可能確實(shí)具有相對論所預(yù)測的視界。

潮汐破壞事件與愛因斯坦廣義相對論

但 Nicholas Stone 和同事們希望獲得更多的信息。他們認(rèn)為，一個(gè)比 Hills 質(zhì)量重 10 倍的旋轉(zhuǎn)黑洞可吞噬恒星。Stone 表示，在發(fā)現(xiàn)更多潮汐破壞事件后，天文學(xué)家們可以觀察到事件視界在黑洞質(zhì)量逐漸變大的情況下逐漸消失，這也能幫助他們了解旋轉(zhuǎn)最快的黑洞。

黑洞旋轉(zhuǎn)具有理論上的最大速度，而任何轉(zhuǎn)得更快的黑洞的存在都會與黑洞具有外邊界的設(shè)想相悖，這將能判斷廣義相對論中對黑洞視界的描述是否準(zhǔn)確。

好消息是，目前相應(yīng)的觀測項(xiàng)目已經(jīng)啟動(dòng)，將在未來為這些問題提供答案。但這次與之前情況相反，Gezari 表示，Zwicky 瞬變設(shè)施目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了過多的潮汐破壞事件，她計(jì)劃集中精力和資源，對有價(jià)值的目標(biāo)進(jìn)行后續(xù)觀察。

此外，一個(gè)長期被推遲的德-俄聯(lián)合項(xiàng)目，eRosita 如果能按計(jì)劃在 2019 年上線，應(yīng)該能發(fā)現(xiàn)數(shù)百或數(shù)千個(gè)發(fā)射 X 射線的新潮汐破壞事件。Komossa 參與合作的一項(xiàng)中國任務(wù)，即計(jì)劃于 2022 年發(fā)射的“愛因斯坦探針”。而智利也正在建造一臺大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡，計(jì)劃于 2022 年上線。

對于 Ramirez-Ruiz 來說，該領(lǐng)域的發(fā)展是現(xiàn)代“天體攝影”方式（用望遠(yuǎn)鏡在夜間拍攝延時(shí)視頻）所帶來的必然結(jié)果。Ramirez-Ruiz 說：“潮汐破壞事件在一個(gè)星系中每一萬年才發(fā)生一次，但我們現(xiàn)在已經(jīng)觀測了足夠多的星系，該領(lǐng)域正處于一種‘爆炸式的發(fā)展階段?！?？笏（摘自美《深科技》）（編輯/華生）