科學家首次發現黑洞吃恆星的優雅姿勢：撕成“意大利麪”再吃

作者 | 琰琰

“黑洞強大的潮汐力將恆星撕碎，然後像吃“意大利麪”一樣將其一點點吞噬。”

在浩瀚的宇宙中，黑洞是最為神秘也最為神奇的存在。這個曾經只存在於理論中的天體，體積很小，引力卻極大，它如同一個宇宙的“深淵巨口”，吞噬着這周圍的一切，連恆星也不例外。

圖注：人類歷史上第一張黑洞照片

黑洞吞噬恆星，在天文學上被稱為“潮汐破壞事件”（Tidal Disruption Event），簡稱TDE。

近日，來自荷蘭空間研究所（SRON）和荷蘭拉德佈德大學（Radboud University）的研究團隊在一場潮汐破壞事件中，首次發現了黑洞吞噬恆星的新證據，即包裹在黑洞周圍來自恆星的物質細絲。

這項研究的論文名為“Accretion disc cooling and narrow absorption lines in the tidal disruption event AT 2019dsg”，目前已經被《皇家天文學會月刊》收錄。

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

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黑洞吞噬恆星

“潮汐破壞事件”是一種罕見的天文現象，每個星系大約十萬年才會發生一次。這是因為天體運動相對穩定，一旦被黑洞引力吸引，它會優先按照慣性圍繞黑洞進行公轉。直到距離黑洞很近很近時，才會發生吞噬現象。

最近的一次潮汐破壞事件發生在2019年9月，科學家們將其命名為AT2019qiz。正是基於這次潮汐事件，來自SRON和Radboud 大學的研究團隊發現了黑洞吞噬地球的有力證據。

所謂潮汐力，其本質來自於黑洞的引力。我們知道，兩個物體之間的引力和二者之間的距離有關。我們上學時計算引力，通常會把物體想象成一個質點，但是在黑洞中，情況就不一樣了。由於體積龐大，恆星在被吞噬過程中會引起“受力不均”，越是靠近黑洞的地方引力越大，反之引力稍小。由於不同位置所引起的引力差就是潮汐力。

這也是月球能夠帶給地球潮汐力的原因。

在AT2019dsg事件中，被吞噬的恆星質量相當於一個太陽，而黑洞的質量大約是太陽的100萬倍（銀河系中最大黑洞為400萬個太陽質量)，兩者之間懸殊的質量差距造成了這次罕見的天文現象。

黑洞吞噬恆星的過程十分壯觀。由於潮汐力的存在，黑洞會把恆星會從一個球形狀撕扯成一條條極細極長的形狀，這個過程被科學家戲稱為“麪條化(Spaghettification)”。

在吞噬的過程中，物質碎片之間相互摩擦會產生極高的熱量，併發射出耀眼的光線，其亮度甚至會超過了整個星系，這個過程大約會持續幾個月。

伴隨着光線發射，黑洞還會釋放出大量高能電磁波，來自英國伯明翰大學的天文學家Samantha Oates在研究AT2019dsg事件時曾説：“我們發現，黑洞在吞噬一顆恆星的時候，還會向外噴射出大量的高能爆炸物，它們會阻礙我們的觀測。”

後來證實，這些高能爆炸物也就是X射線和伽馬射線。其實早在2011年，天文學家就發現了該現象，他們在觀察天龍星座時發現該區域釋放出大量的伽馬射線。同時，一顆恆星也在該星系中徹底消失。之後，科學家們便將這種罕見的高能輻射現象視為潮汐事件的信號。

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科學家首次發現光譜吸收線

幾十年來，儘管天文學家看到了黑洞吞噬時爆發的電磁輻射，但從未見過實際物質細線的輪廓。直到近日，來自SRON 和 Radboud大學的科學家們終於捕獲了黑洞吞噬天體的有力證據——他們發現了被“麪條化”的恆星發出的光譜吸收線。

吸收線（Absorption lines）是由輻射源（本文輻射源為黑洞）發射的電磁輻射連續光譜中檢測到的不尋常的暗線（Dark lines）。當吸收部分電磁輻射的物質（也就是被撕裂的恆星的物質）遮住輻射源時，就會出現這些線。

研究人員表示，他們在觀察黑洞的旋轉極（rotational pole）時發現了這些光譜吸收線，而且基本可以認定它們來自被吞噬的恆星。論文中寫道，這一觀察結果表明，黑洞周圍有一股被多次包裹的物質，就像一個紗球。這種物質很可能是被撕裂的恆星，因為它在黑洞內部消失之前圍繞黑洞運行。

科學已經證實，在黑洞的中心存在着吸積物質的圓盤，也就是吸積盤（Accretion Disc 或 Accretion Disk)。

它是一種由彌散物質組成的、圍繞中心體轉動的結構。在黑洞中，這個圓盤由被黑洞吸引但尚未被黑洞吞噬的物質構成，它以極高的速度旋轉，並在這個過程中釋放出熱量、X射線和伽馬射線。

吸積盤是黑洞發出輻射的唯一來源。如果從側面看黑洞，天文學家很難觀察到吸積盤的X射線。

但是，本研究的作者聲稱，他們觀察到的“麪條”不是吸積盤的一部分。

論文一作賈科莫·坎尼扎羅説，“吸收線很窄，多普勒效應並沒有使它們擴大，就像你在觀察旋轉的圓盤時所期望的那樣。”

他所提到的多普勒效應，是由吸積盤中物質的快速運動而引起的。該效應主要是説物體輻射的波長會因波源和觀測者的相對運動而產生變化。比如在運動的波源前面，波長會被壓縮，頻率會變得較高；而在運動的波源後面時，波長變得較長，頻率則變得較低。

事實上，所有波動現象都存在多普勒效應，不過除非波源的速度非常接近光速，否則多普勒位移的程度一般都很小。

依據多普勒效應，在黑洞的波動現象中，電磁波源會根據離觀察者的遠近而拉伸或收縮電磁波。以此來看，吸積盤離開地球的部分發出的光應該會更亮。但是研究團隊沒有看到這方面的證據。

相反， 他們在TDE宿主星系發現了很窄的光發射線（ Optical Emission Lines）。在吞噬的瞬間，X射線（X-ray）、無線電波（Radio）、紫外線（UV）和光譜（Optical）會向外爆發併產生光亮。X射線發射在約100d光曲線峯值區間；無線電波發射在160d區間，頻率超過5.4GHz；光譜發射在200d之後。在中高分辨率光譜中出現了來自恆星碎片流的吸收線的痕跡。不久之後，光譜中出現窄的Fe Lines 。

他們在論文中寫道：TDE此前被歸類為 N-strong，但如果去除宿主星系中其他恆星的貢獻後，我們在TDE光譜中並沒有發現這些N線的證據，即使檢測到O-Bowen線。我們觀測到：X射線發射特性與冷卻吸積盤內部區域的探測完全一致；光學和無線電特性與低傾斜角（Low Inclination）（即從兩極看黑洞）下看到的中心引擎（ Central Engine）一致。

據瞭解，大多數星系的中心都潛伏着比太陽重數百萬甚至數十億倍的超大質量黑洞。它們生長了數十億年，吞噬掉了所有落入它們引力懷抱的東西。而天文學家能夠探測到黑洞，要歸功於黑洞在吞噬周圍的氣體和物質時發出的明亮射線。

引用鏈接：

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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