科学家首次发现黑洞吃恒星的优雅姿势：撕成“意大利面”再吃

作者 | 琰琰

“黑洞强大的潮汐力将恒星撕碎，然后像吃“意大利面”一样将其一点点吞噬。”

在浩瀚的宇宙中，黑洞是最为神秘也最为神奇的存在。这个曾经只存在于理论中的天体，体积很小，引力却极大，它如同一个宇宙的“深渊巨口”，吞噬着这周围的一切，连恒星也不例外。

图注：人类历史上第一张黑洞照片

黑洞吞噬恒星，在天文学上被称为“潮汐破坏事件”（Tidal Disruption Event），简称TDE。

近日，来自荷兰空间研究所（SRON）和荷兰拉德布德大学（Radboud University）的研究团队在一场潮汐破坏事件中，首次发现了黑洞吞噬恒星的新证据，即包裹在黑洞周围来自恒星的物质细丝。

这项研究的论文名为“Accretion disc cooling and narrow absorption lines in the tidal disruption event AT 2019dsg”，目前已经被《皇家天文学会月刊》收录。

论文地址：https://academic.oup.com/mnras/article-abstract/504/1/792/6185055

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黑洞吞噬恒星

“潮汐破坏事件”是一种罕见的天文现象，每个星系大约十万年才会发生一次。这是因为天体运动相对稳定，一旦被黑洞引力吸引，它会优先按照惯性围绕黑洞进行公转。直到距离黑洞很近很近时，才会发生吞噬现象。

最近的一次潮汐破坏事件发生在2019年9月，科学家们将其命名为AT2019qiz。正是基于这次潮汐事件，来自SRON和Radboud 大学的研究团队发现了黑洞吞噬地球的有力证据。

所谓潮汐力，其本质来自于黑洞的引力。我们知道，两个物体之间的引力和二者之间的距离有关。我们上学时计算引力，通常会把物体想象成一个质点，但是在黑洞中，情况就不一样了。由于体积庞大，恒星在被吞噬过程中会引起“受力不均”，越是靠近黑洞的地方引力越大，反之引力稍小。由于不同位置所引起的引力差就是潮汐力。

这也是月球能够带给地球潮汐力的原因。

在AT2019dsg事件中，被吞噬的恒星质量相当于一个太阳，而黑洞的质量大约是太阳的100万倍（银河系中最大黑洞为400万个太阳质量)，两者之间悬殊的质量差距造成了这次罕见的天文现象。

黑洞吞噬恒星的过程十分壮观。由于潮汐力的存在，黑洞会把恒星会从一个球形状撕扯成一条条极细极长的形状，这个过程被科学家戏称为“面条化(Spaghettification)”。

在吞噬的过程中，物质碎片之间相互摩擦会产生极高的热量，并发射出耀眼的光线，其亮度甚至会超过了整个星系，这个过程大约会持续几个月。

伴随着光线发射，黑洞还会释放出大量高能电磁波，来自英国伯明翰大学的天文学家Samantha Oates在研究AT2019dsg事件时曾说：“我们发现，黑洞在吞噬一颗恒星的时候，还会向外喷射出大量的高能爆炸物，它们会阻碍我们的观测。”

后来证实，这些高能爆炸物也就是X射线和伽马射线。其实早在2011年，天文学家就发现了该现象，他们在观察天龙星座时发现该区域释放出大量的伽马射线。同时，一颗恒星也在该星系中彻底消失。之后，科学家们便将这种罕见的高能辐射现象视为潮汐事件的信号。

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科学家首次发现光谱吸收线

几十年来，尽管天文学家看到了黑洞吞噬时爆发的电磁辐射，但从未见过实际物质细线的轮廓。直到近日，来自SRON 和 Radboud大学的科学家们终于捕获了黑洞吞噬天体的有力证据——他们发现了被“面条化”的恒星发出的光谱吸收线。

吸收线（Absorption lines）是由辐射源（本文辐射源为黑洞）发射的电磁辐射连续光谱中检测到的不寻常的暗线（Dark lines）。当吸收部分电磁辐射的物质（也就是被撕裂的恒星的物质）遮住辐射源时，就会出现这些线。

研究人员表示，他们在观察黑洞的旋转极（rotational pole）时发现了这些光谱吸收线，而且基本可以认定它们来自被吞噬的恒星。论文中写道，这一观察结果表明，黑洞周围有一股被多次包裹的物质，就像一个纱球。这种物质很可能是被撕裂的恒星，因为它在黑洞内部消失之前围绕黑洞运行。

科学已经证实，在黑洞的中心存在着吸积物质的圆盘，也就是吸积盘（Accretion Disc 或 Accretion Disk)。

它是一种由弥散物质组成的、围绕中心体转动的结构。在黑洞中，这个圆盘由被黑洞吸引但尚未被黑洞吞噬的物质构成，它以极高的速度旋转，并在这个过程中释放出热量、X射线和伽马射线。

吸积盘是黑洞发出辐射的唯一来源。如果从侧面看黑洞，天文学家很难观察到吸积盘的X射线。

但是，本研究的作者声称，他们观察到的“面条”不是吸积盘的一部分。

论文一作贾科莫·坎尼扎罗说，“吸收线很窄，多普勒效应并没有使它们扩大，就像你在观察旋转的圆盘时所期望的那样。”

他所提到的多普勒效应，是由吸积盘中物质的快速运动而引起的。该效应主要是说物体辐射的波长会因波源和观测者的相对运动而产生变化。比如在运动的波源前面，波长会被压缩，频率会变得较高；而在运动的波源后面时，波长变得较长，频率则变得较低。

事实上，所有波动现象都存在多普勒效应，不过除非波源的速度非常接近光速，否则多普勒位移的程度一般都很小。

依据多普勒效应，在黑洞的波动现象中，电磁波源会根据离观察者的远近而拉伸或收缩电磁波。以此来看，吸积盘离开地球的部分发出的光应该会更亮。但是研究团队没有看到这方面的证据。

相反， 他们在TDE宿主星系发现了很窄的光发射线（ Optical Emission Lines）。在吞噬的瞬间，X射线（X-ray）、无线电波（Radio）、紫外线（UV）和光谱（Optical）会向外爆发并产生光亮。X射线发射在约100d光曲线峰值区间；无线电波发射在160d区间，频率超过5.4GHz；光谱发射在200d之后。在中高分辨率光谱中出现了来自恒星碎片流的吸收线的痕迹。不久之后，光谱中出现窄的Fe Lines 。

他们在论文中写道：TDE此前被归类为 N-strong，但如果去除宿主星系中其他恒星的贡献后，我们在TDE光谱中并没有发现这些N线的证据，即使检测到O-Bowen线。我们观测到：X射线发射特性与冷却吸积盘内部区域的探测完全一致；光学和无线电特性与低倾斜角（Low Inclination）（即从两极看黑洞）下看到的中心引擎（ Central Engine）一致。

据了解，大多数星系的中心都潜伏着比太阳重数百万甚至数十亿倍的超大质量黑洞。它们生长了数十亿年，吞噬掉了所有落入它们引力怀抱的东西。而天文学家能够探测到黑洞，要归功于黑洞在吞噬周围的气体和物质时发出的明亮射线。

引用链接：

https://www.space.com/spaghettified-star-observed-near-black-hole

https://academic.oup.com/mnras/article-abstract/504/1/792/6185055

(2) 'Spaghettified' star wrapped around a black hole spotted for the first time : space (reddit.com)

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