吞星暴露黑洞的「吃相」：科學家發現觀察黑洞新視角

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由於奇點巨大的引力，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「監聽」宇宙中由黑洞碰撞引發的引力波；二是通過製作龐大的星系地圖，然後根據觀測到的引力現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。

而現在的研究人員們有了一個新的選擇，他們可以通過潮汐破壞事件（TDEs, tidal disruption events）對黑洞進行觀測。潮汐破壞事件一般會發生在恆星被大質量黑洞捕獲的過程中，被捕獲的恆星會被黑洞一分為二，其大部分質量會被黑洞吞噬，就像是被熊捕獲的一隻三文魚。加州大學聖克魯茲分校的天體物理學家 Enrico Ramirez-Ruiz 說：「對我來說，這聽上去簡直像是科幻小說。」

而在過去的幾年裡，有關潮汐破壞事件的研究也已經從「科幻小說」過渡到了應用階段。

黑洞吞星並不罕見

科學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，一項發表於 Nature Astronomy 期刊上的研究描述了從一組恆星中爆發出的 X 光射線，並將其解釋為是一個中型黑洞正在吞噬恆星。同月，另一組科學家在 Science 雜誌上發表了他們的研究，認為他們或已發現迄今最亮的潮汐破壞事件。

而這些發現的產生，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係，因為就在今年 5 月，一群天體物理學家提出了潮汐破壞事件的新理論模型，解釋了為什麼儘管有時不同潮汐破壞事件所呈現的特徵不同，但它們都可能基於同一個的物理過程。

天文學家們希望能通過解碼潮汐破壞事件，對宇宙中的黑洞進行一次普查。潮汐破壞事件通過將大多數不可見黑洞的信息「泄露」給天文學家，揭示了宇宙中的隱藏質量。而本次發表於 Nature Astronomy 上的論文，便闡述了如何能通過潮汐破壞事件發現中等質量黑洞。這些中等質量黑洞的質量大約從幾百個太陽到幾百萬個太陽之間。

除了理論上的進步，實驗學家們也在嘗試對借用潮汐破壞事件的方法進行實踐，比如有人開始用潮汐破壞事件研究黑洞內的物理，驗證黑洞是否如廣義相對論所預測的那樣存在事件視界（event horizon）。據廣義相對論，在事件視界內的任何事件皆無法對視界外的觀察者產生影響。

圖 | 潮汐破壞事件發出的X光射線（圖源：NASA）

與此同時，對於潮汐破壞事件的觀測也在增加，比如於今年 3 月在加州 Palomar 天文台的茲威基瞬變設施開始進行星空普查。此前的觀測發現每年會出現一到兩個新的潮汐破壞事件，而隨著未來觀測資源的不斷投入，這一數字或將上升一個數量級。

潮汐破壞事件觀測法的先驅者之一，茲威基瞬變設施的潮汐破壞事件項目負責人，馬里蘭大學的 Suvi Gezari 說：「該領域的確正在蓬勃發展，現在的人們已經開始在借潮汐破壞事件來挖掘宇宙中的隱藏信息。」該團隊在開始的幾個月已捕捉到了幾個潛在的潮汐破壞事件。

潮汐破壞事件：黑洞將恆星撕裂「分食」

隨著越來越多的潮汐破壞事件被發現，天文學家們已經實現了 Martin Rees 最初的設想，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言這些潮汐破壞事件的物理性質目前還尚無定論。但出乎天文學家們預料的是，已知的潮汐破壞事件都獨具一格，自成一派。有些似乎主要發出紫外線和可見光，就像是一團氣體被加熱到至了數萬度，有些則主要發出 X-射線，溫度較前者高出一個量級。但據推測，它們理應具有相同的物理過程。

圖 | Suvi Gezari 的工作驗證了潮汐破壞事件的存在（圖源：John T. Consoli，馬里蘭大學）

一顆恆星在足夠接近黑洞後會被捕獲，黑洞的引力潮汐所產生的作用力大小超過了恆星的內部引力，進而引發了潮汐破壞事件。換句話說，黑洞在恆星的近端和遠端 (距黑洞中心的近遠) 所造成的引力差異，以及恆星在黑洞周圍擺動時所受的慣性拉力，將恆星拉伸成了一條「溪流」。

恆星的外半部分會逃回太空，但密度較高的內半部分會旋入黑洞，升溫並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家，James Guillochon 說：「潮汐破壞事件其實就是恆星經過黑洞時被拉扯的不成樣子，最終被撕裂。」

雖然構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麼不同潮汐破壞事件間的差異如此明顯。有一種假設認為，這與黑洞處於吞噬恆星內半部分的不同階段有關。當恆星最初被撕開並拉伸成一條「溪流」時，它可能會在黑洞周圍跳彈並撞到自己軌跡的尾部，這可能會使尾部加熱到產生紫外線的溫度，但尾部溫度不會再變的比這更高。隨後，在短則幾個月，長則一年的時間過後，這顆恆星會堆積成一個高速旋轉的吸積盤（accretion disk），理論上其溫度應該足以向外放出 X 射線。

圖 | ASASSN-14li 潮汐破壞事件恆星碎片聚集在黑洞周圍吸積盤中（圖源：NASA）

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 團隊和 Ramirez-Ruiz 認為，根據他們的模擬，廣義相對論造成影響或能解釋這一問題，只需調整觀測的角度，兩種不同的潮汐破壞事件便有可能呈現為同一形態。詳細來說，如果天文學家從頂部觀測這類高速旋轉的盤，他們可以看到來自內側發熱物質產生的 X 射線向內旋轉。而當此盤處於黑洞邊緣時，較冷的氣體會吸收這些 X 射線並放出紫外線。

最終，理論家希望將不同的潮汐破壞事件都看作是源於同一物理過程，然後進行更深入的科學研究。Kochanek 說：「也許我們會學到一些關於吸積（accretion）的基本知識，或許就像雲朵的形狀各異一樣，潮汐破壞事件也有著類似的可隨意變換的特徵。」

「一斑窺豹」：潮汐破壞事件透露黑洞信息

此前，那些超大質量，統治星系的黑洞中，只有約 10％會因吞噬周圍氣體而發出輻射，剩餘 90％對天文學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。

波恩馬克斯普朗克射電天文研究所的天文學家，Komossa 希望能找到更多的超大質量雙黑洞系統，即兩個黑洞在雙方的星系碰撞後被迫呆在一起。在一個超大質量雙黑洞系統中，當一顆恆星被撕碎，流入一個黑洞時，另一個黑洞會牽扯這些被撕碎的恆星物質，潮汐破壞事件因此會變的時暗示亮，而非穩定地逐漸變暗。

也有團隊想驗證一個更為基本的，怪異的相關性——不知為何，位於星系中央的黑洞與其主星系的質量似乎會同時增加。Ramirez-Ruiz 說：「黑洞似乎知曉星系的質量，而潮汐破壞事件可以加強或削弱這種相關性。」

圖 | Richo Ramirez-Ruiz（圖源：Elena Zhukova）

潮汐破壞事件還可以為周圍可能的大質量黑洞謎題提供解釋。雖然已知最大的黑洞的重量可以達到太陽的 100 億倍，但天文學家目前尚不清楚較小的矮星系是否會由成比例的黑洞（數十萬倍太陽質量以下的黑洞）所統治。

Richo Ramirez-Ruiz 幫助創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所呈現的不同形態。

通過潮汐破壞事件觀測中等質量黑洞，還能幫助天文學家進一步了解黑洞的形成過程。一篇於六月發表在 Nature Astronomy 的論文聲稱已經找到了一個這種中型黑洞，重達數萬太陽質量。論文中的潮汐破壞事件事件於 2003 年被發現，在 2006 年達到頂峰，然後在接下來的十年中逐漸減弱。在該事件中，X 射線耀斑沒有出現在星系的中心，而是出現在可以從恆星合併中進一步合併的地方。領導研究的新罕布希爾大學天體物理學家，Dacheng Lin 說：「我們需要找到更多相似的事件，以驗證我們的結果。」

隨著目標深入，潮汐破壞事件也開始被用於驗證由廣義相對論所描述的黑洞是否準確。例如，隨著黑洞的質量不斷增加，廣義相對論認為黑洞的事件視界將穩定向外蔓延。但黑洞潮汐能夠撕裂恆星的半徑增加得更慢，在 Hills 質量（約為一億倍太陽質量）的理論極限中，黑洞內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量上限。哥倫比亞大學的理論天體物理學家，Nicholas Stone 說：「在黑洞質量小於 Hills 質量的情況下，位於邊界外的被捕獲恆星僅會被黑洞撕裂，而在黑洞質量比 Hills 質量大的情況下，被捲入邊界內的恆星則會被整個吞噬。」

現有的觀測數據支持這一設想，已知的潮汐破壞事件都發生在重量小於 Hills 質量的黑洞周圍，這表明較重的物體可能確實具有相對論所預測的視界。

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。他們認為，一個比 Hills 質量重 10 倍的旋轉黑洞可吞噬恆星。Stone 表示，在發現更多潮汐破壞事件後，天文學家們可以觀察到事件視界在黑洞質量逐漸變大的情況下逐漸消失，這也能幫助他們了解旋轉最快的黑洞。

圖 | 位於年輕的星系核心的黑洞（圖源：NASA）

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

好消息是，目前相應的觀測項目已經啟動，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 瞬變設施目前已經發現了過多的潮汐破壞事件，她計劃集中精力和資源，對有價值的目標進行後續觀察。

此外，一個長期被推遲的德-俄聯合項目，eRosita 如果能按計劃在 2019 年上線，應該能發現數百或數千個發射 X 射線的新潮汐破壞事件。Komossa 參與合作的一項中國任務，即計劃於 2022 年發射的「愛因斯坦探針」。而智利也正在建造一台大型綜合巡天望遠鏡，計劃於 2022 年上線。

對於 Ramirez-Ruiz 來說，該領域的發展是現代「天體攝影」方式（用望遠鏡在夜間拍攝延時視頻）所帶來的必然結果。Ramirez-Ruiz 說：「潮汐破壞事件在一個星系中每一萬年才發生一次，但我們現在已經觀測了足夠多的星系，該領域正處於一種『爆炸式』的發展階段。」