数亿光年外的遥远星系中一颗围绕超大质量

　　这幅插图显示了一颗恒星在潮汐破坏耀斑中被超大质量黑洞吞噬时发出的发光物质流。当一颗恒星经过黑洞的一定距离内时 - 足够接近被引力破坏 - 恒星物质在落入黑洞时被拉伸和压缩。（NASAJPL-加州理工学院）

　　这幅插图描绘了一颗恒星（前景）在“潮汐破坏事件”期间被超大质量黑洞（背景中）吸入时经历意大利面条化。（ESOM Kornmesser）

　　据美国物理学家组织网（作者：Dan Bernardi，雪城大学）：在数亿光年之外的一个遥远星系中，一颗围绕超大质量黑洞运行的恒星正在黑洞的巨大引力下被猛烈撕裂。当恒星被撕碎时，它的残余物被转化为一股碎片流，这些碎片落回黑洞，形成一个非常热、非常明亮的物质盘，围绕黑洞旋转，称为吸积盘。这种现象 - 恒星被超大质量黑洞摧毁并助长发光吸积耀斑 - 被称为潮汐破坏事件（TDE），并且预测TDE大约每10，000至100，000年在特定星系中发生一次。

　　由于光度在短时间内（即比太阳亮数十亿倍）超过整个星系（即比我们的太阳亮数十亿倍），吸积事件使天体物理学家能够从宇宙学距离研究超大质量黑洞（SMBH），为其他静止或休眠星系的中心区域提供了一个窗口。通过探测这些强引力事件，爱因斯坦的广义相对论对于确定物质的行为至关重要，TDE产生了有关宇宙中最极端环境之一的信息：黑洞的事件视界 - 不归路。

　　TDE通常是“一次性完成的”，因为SMBH的极端引力场会破坏恒星，这意味着SMBH在吸积耀斑后会逐渐消失在黑暗中。然而，在某些情况下，恒星的高密度核心可以在与SMBH的引力相互作用中幸存下来，使其能够多次绕黑洞运行。研究人员称之为重复部分TDE。

　　一组物理学家，包括主要作者，欧洲南方天文台研究员Thomas Wevers，以及共同作者，雪城大学物理学助理教授Eric Coughlin和麻省理工学院Kavli天体物理和空间研究所的研究科学家Dheeraj R. “DJ” Pasham提出了重复部分TDE的模型。他们的研究结果发表在《天体物理学杂志快报》上，描述了SMBH捕获恒星，每次恒星接近黑洞时物质的剥离，以及材料被剥离和再次进入黑洞之间的延迟。该团队的工作是第一个开发和使用重复部分TDE的详细模型来解释观测结果，预测遥远星系中恒星的轨道特性，并了解部分潮汐破坏过程。

　　该团队正在研究一种名为AT2018fyk的TDE（AT代表天体物理瞬变）。这颗恒星是由SMBH通过称为“希尔斯捕获”的交换过程捕获的，其中恒星最初是双星系统（两颗恒星在相互引力下相互绕行）的一部分，该系统被黑洞的引力场撕裂。另一颗（未捕获的）恒星以~1000公里/秒的速度从银河系中心喷射出来，被称为超高速恒星。

　　一旦绑定到SMBH，为AT2018fyk发射提供动力的恒星每次通过与黑洞最接近的点时都会反复剥离其外壳。恒星剥离的外层形成了明亮的吸积盘，研究人员可以使用X射线和紫外线/光学望远镜来观察来自遥远星系的光线。

　　根据Wevers的说法，有机会研究部分TDE可以对超大质量黑洞的存在和星系中心恒星的轨道动力学提供前所未有的见解。

　　“到目前为止，人们的假设是，当我们看到恒星和超大质量黑洞之间近距离相遇的后果时，结果对恒星来说将是致命的，也就是说，恒星被完全摧毁，”他说。“但与我们所知道的所有其他TDE相反，当我们几年后再次将望远镜指向同一位置时，我们发现它再次变亮。这导致我们提出，与其说是致命的，不如说是恒星的一部分在最初的遭遇中幸存下来，并返回同一位置再次被剥离物质，从而解释了重新变亮的阶段。

　　活到死的一天

　　AT2018fyk于2018年首次被发现，最初被认为是普通的TDE。在大约600天的时间里，光源在X射线中保持明亮，但随后突然变暗并且无法检测到 - 这是恒星残余核心返回黑洞的结果，麻省理工学院物理学家Dheeraj R. Pasham解释说。

　　“当核心返回黑洞时，它基本上通过引力从黑洞中窃取了所有气体，结果没有物质可以吸积，因此系统变暗，”Pasham说。

　　目前还不清楚是什么导致了AT2018fyk光度的急剧下降，因为TDEs通常会平滑地逐渐衰减 - 而不是突然 - 在其发射中。但在下降大约600天后，再次发现源是X射线明亮的。这导致研究人员提出，这颗恒星在第一次与SMBH的近距离接触中幸存下来，并且在黑洞的轨道上。

　　使用详细的建模，研究小组的发现表明，恒星围绕黑洞的轨道周期大约为1，200天，从恒星脱落的物质大约需要600天才能返回黑洞并开始吸积。他们的模型还限制了捕获的恒星的大小，他们认为这颗恒星的大小与太阳差不多。至于最初的双星，研究小组认为这两颗恒星在被黑洞撕裂之前彼此非常接近，可能每隔几天就会相互绕行。

　　那么，一颗恒星如何在死亡中幸存下来呢？这一切都归结为接近度和轨迹的问题。如果恒星与黑洞正面相撞并经过事件视界 - 逃离黑洞所需的速度超过光速的阈值 - 恒星将被黑洞吞噬。如果恒星非常靠近黑洞并穿过所谓的“潮汐半径” - 洞的潮汐力比保持恒星在一起的引力强 - 它将被摧毁。在他们提出的模型中，恒星的轨道到达一个最接近的点，就在潮汐半径之外，但并没有完全穿过它：恒星表面的一些物质被黑洞剥离，但其中心的物质保持不变。

　　重复表演？

　　恒星绕SMBH运行的过程如何或是否会发生在许多重复的通道中，这是一个理论问题，该团队计划在未来的模拟中研究这个问题。锡拉丘兹物理学家埃里克·考夫林（Eric Coughlin）解释说，他们估计每次通过黑洞时，恒星质量的1%到10%都会丢失，由于TDE发射建模的不确定性，范围很大。

　　“如果质量损失只有1%的水平，那么我们预计这颗恒星能够存活更多的遭遇，而如果它接近10%，恒星可能已经被摧毁了，”考夫林指出。

　　TDE 研究的未来

　　该团队将在未来几年内关注天空，以测试他们的预测。根据他们的模型，他们预测源将在2023年3月左右突然消失，并在2025年新剥离的物质吸积到黑洞时再次变亮。

　　该团队表示，他们的研究为跟踪和监测过去检测到的后续来源提供了新的前进方向。这项工作还提出了一种来自外部星系中心的重复耀斑起源的新范式。

　　“在未来，可能会有更多的系统被检查为后期耀斑，特别是现在这个项目提出了通过动态交换过程捕获恒星的理论图景以及随后的反复部分潮汐破坏，”考夫林说。“我们希望这个模型可以用来推断遥远的超大质量黑洞的性质，并了解它们的”人口统计“，即给定质量范围内的黑洞数量，否则很难直接实现。

　　该团队表示，该模型还对潮汐破坏过程做出了一些可测试的预测，并且随着对AT2018fyk等系统的更多观测，它应该可以深入了解部分潮汐破坏事件的物理学和超大质量黑洞周围的极端环境。

　　“这项研究概述了可能预测外部星系中超大质量黑洞下一次零食时间的方法，”Pasham说。“如果你仔细想想，我们在地球上可以将我们的望远镜对准数百万光年外的黑洞，以了解它们是如何喂养和生长的，这是非常了不起的。