超大质量黑洞偶尔会得到一顿丰盛的美餐。一颗路过的恒星过于靠近,被黑洞的引力捕获,就像苍蝇困在蜘蛛网上。然后,这颗恒星就成了黑洞的轻易猎物,黑洞将其撕成碎片并吞噬大部分。
天文学家之前曾在遥远的星系中目睹过几次这样的瓦解事件,但通常只在过程的末期。(然而,这些吞噬事件非常罕见,以至于在最近的人类历史上,我们自己的银河系中从未被观测到;每个星系大约每 10,000 年才发生一次。)现在,研究人员详细记录了黑洞的吞噬过程,以至于他们能够推断出黑洞的大小以及沦为黑洞贪婪猎物的恒星类型。
天文学家无法窥视黑洞内部;在事件视界之外,黑洞的单向边界,即使是光也无法逃逸到外面的世界。但是,落入黑洞的物质会在事件视界之外压缩和加热时发出强烈的辐射耀斑。
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苏维·格扎里,约翰·霍普金斯大学的天文学家,和她的同事们使用多台不同的望远镜来追踪一个距离超过 20 亿光年的星系中超大质量黑洞爆发的能量,当时该黑洞吞噬了一颗冒险靠近的恒星。
格扎里说:“虽然之前已经有这类耀斑的证据,但从未有足够的信息来说明哪种类型的恒星沦为黑洞的牺牲品,以及摧毁恒星的黑洞的质量是多少。”她和她的同事们于 5 月 2 日在《自然》杂志上在线发表了他们的发现。(《大众科学》是自然出版集团的一部分。)
他们首先使用夏威夷的Pan-STARRS 1 望远镜发现了耀斑,这是一个相对较新的天文台,可以快速而重复地扫描天空,以识别天体外观的变化。2010 年 5 月,该望远镜在天空中发现了一个瞬态特征,被称为 PS1-10jh,它在可见光中迅速变亮。大约在同一时间,NASA 的太空星系演化探测器在同一位置,一个原本不起眼的星系中心附近,记录到一个紫外线耀斑。两台望远镜都追踪 PS1-10jh 直到 2011 年,当时它达到顶峰并最终褪去;研究人员还征用了亚利桑那州更大的 MMT 望远镜,对耀斑物体进行光谱读数。
格扎里解释说:“因为我们[看到]了在如此多不同波长和如此多细节上的辐射耀斑随时间变化的情况”,研究人员能够将他们的观测结果与恒星坠入黑洞的理论预测进行密切比较。《自然》杂志上为该研究撰写评论的米兰大学天体物理学家朱塞佩·洛达托说:“观测与理论之间的匹配非常令人信服,光变曲线的形状非常接近此类事件的预期——实际上是最好的例子之一。”
借助 MMT 的光谱,它可以根据发射光的波长精确定位单个化学物质,格扎里和她的同事们能够解析来自被瓦解恒星的碎片构成。这种物质尤其缺乏氢,氢是宇宙中最常见的元素。“我们在系统中没有看到氢的证据,”她说。“这是一种非常奇特的气体。它主要是氦气。”
恒星碎片的成分表明,被吞噬的恒星是一颗富含氦的红巨星核心——红巨星是一种膨胀的恒星类型,太阳将在大约五十亿年后演变成这种恒星。“当[红巨星]膨胀起来时,它的氢外壳非常容易被黑洞的引力剥离,”格扎里说。“我们现在看到的是这种被剥离的核心。”
洛达托指出,通过多台望远镜对耀斑黑洞进行一年多的跟踪,实现了前所未有的法医重建水平。“这是首次如此精确地确定恒星的属性,”他说。
这也使研究人员能够对黑洞及其最终吞噬了多少恒星得出一些结论。格扎里和她的同事们根据耀斑的特性和红巨星核心的物理属性估计,黑洞的质量大约是 300 万个太阳质量。(相比之下,银河系中心的超大质量黑洞大约是 400 万个太阳质量。)通过总结耀斑黑洞发出的辐射光,研究人员得出结论,可能 10%,甚至可能高达一半的恒星最终被吞噬。“很大一部分恒星被喷射出去,”格扎里说。“这是一个非常混乱的过程。”