被撕裂的恒星为超大质量黑洞提供了新的视角

在我们银河系以及几乎所有其他大型星系的中心，潜伏着一个深刻的宇宙谜团——超大质量黑洞。这些天体将数百万到数十亿倍于我们太阳的质量挤压到比我们太阳系还小的区域中，其奇异程度几乎令人感到神秘。没有人确切了解自然界是如何将如此多的物质压缩到如此小的空间中的。但可以肯定的是，超大质量黑洞隐藏的引力之手伸向四周，以深刻而微妙的方式塑造着周围的星系。通过研究这些幽灵般的黑洞的生长和行为，科学家们希望解开星系本身如何诞生和演化的秘密。

问题在于，由于超大质量黑洞不发光，它们大部分时间都处于休眠状态，我们无法看见。只有当它们进食时才会活跃起来，但它们的“餐点”却出奇地稀少——围绕它们旋转的大部分气体、尘埃和恒星都处于稳定的轨道上，永远不会被吞噬。然而，它们总是饥饿的，每当有相当大的物体落入时，由此产生的饕餮盛宴就可以从遥远的地方看到。

在过去半个世纪的大部分时间里，科学家们主要观察到一种正在饕餮的黑洞：类星体。天文学家马尔滕·施密特于 1963 年发现了类星体，它们是活跃星系的超亮中心，可以一直被看到宇宙的可见边缘，每一个都比数十亿个太阳还要明亮。人们认为，当大量的气体和尘埃云在数十万年或数百万年的时间里冲向超大质量黑洞时，就会形成类星体，这些物质在围绕黑洞巨口旋转时被压缩、加热和发光。然而，类星体并不是理想的研究对象。它们是极端事件，通常非常遥远且相对罕见，仅占超大质量黑洞生命周期中的一小部分。因此，它们提供的视角有限，使天文学家对超大质量黑洞如何在局部宇宙中更常规地进食和生长视而不见。研究人员还通过测量围绕超大质量黑洞高速旋转的恒星速度来研究它们，但这些方法仅适用于非常靠近地球的天体——在银河系或我们最近的星系邻居中——目前的望远镜可以分辨出单个恒星。安德烈娅·盖兹和莱因哈德·根泽尔因他们在银河系中心黑洞方面的工作而分享了 2020 年诺贝尔物理学奖。

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1988 年，天文学家马丁·里斯提出了研究超大质量黑洞的第三种方法——一种最近开始结出硕果的方法。天文学家可以寻找来自黑洞附近的短暂而明亮的光芒爆发，而不是观察类星体的稳定光芒或轨道恒星的速度。这些爆发被称为潮汐瓦解事件 (TDE)，当超大质量黑洞吞噬一颗不幸的恒星时就会发生。它们在几个月而不是几千年的时间里展开，使研究人员能够从头到尾跟踪进食过程，并且足够明亮，可以在近距离和远距离的星系中观察到。

如何摧毁一颗恒星

潮汐瓦解事件比可以冲走您海滩毛巾的温和潮汐剧烈得多，但原理上并没有什么不同。地球上的潮汐主要是由月球的引力拖拽引起的，月球对地球上离它最近的一侧的拉力更大。月球对地球远端和近端的引力拉力之间的差异称为潮汐力。潮汐力在地球朝向月球的一侧以及略微矛盾的是在相反的一侧都产生了凸起或高潮，这也产生了相应的低潮，其方向与地月轴成 90 度角。当一颗恒星靠近超大质量黑洞时——可能是由于附近另一颗恒星的引力推动——强烈的潮汐力会将其撕成碎片。

恒星死亡的细节取决于坠落恒星和超大质量黑洞的大小。像白矮星这样的小而致密的天体将比更大、更蓬松的类太阳恒星更能抵抗潮汐力——类似于保龄球比一团棉花糖更难撕裂。最大的超大质量黑洞，即那些包含数十亿个太阳质量的黑洞，体积太大，无法轻易产生 TDE——它们会在潮汐力变得足以撕裂恒星之前将恒星整个吞下。相比之下，质量达数百万太阳质量的黑洞周围的潮汐力会将大多数靠近约 5000 万公里范围内的恒星撕裂——大致相当于水星与太阳的距离。

尽管恒星的整体解体看起来很壮观，但这仅仅是烟花表演的开始。在最初的瓦解之后，恒星碎片将扩散开来，并逐渐偏离恒星的原始轨道路径。基本的轨道力学原理表明，大约一半的碎片将作为细长的物质丝从黑洞附近喷射出来，而另一半将环绕回来形成吸积盘——一种螺旋环结构，缓慢地漏入黑洞。当吸积盘的物质落入时，它会加速到接近光速，并在引力和摩擦力的作用下压缩和加热到接近 250,000 摄氏度的温度时发光。在几周或几个月的时间里，典型的 TDE 会使先前休眠且不可见的黑洞短暂地超过其星系中所有恒星的光芒。

最初的发现

尽管理论家几十年前就首次预测了 TDE，但天文学家直到 1990 年代和 2000 年代初才探测到任何 TDE。这种延迟部分是由于 TDE 的罕见性造成的——据估计，像银河系这样的星系每 10 万年才会发生一次 TDE。它们也很难看到。简单的理论模型表明，TDE 吸积盘的光芒应该在所谓的软 X 射线或远紫外线光谱部分达到峰值——由于星际尘埃和地球大气层的干扰，这些波长很难从地面访问。这些相同的模型还表明，天文学家可以使用 TDE 对其伴随黑洞的质量进行相对精确的估计——这是了解黑洞的大小如何改变其行为及其对银河系周围环境的影响的关键数据点。为了测量黑洞的质量，天文学家可以简单地计算伴随 TDE 达到峰值亮度所需的时间（这揭示了吸积盘形成和喂养黑洞的速度）。由于 TDE 非常明亮，它们使研究人员能够比任何其他已知现象更精确地确定更大范围的超大质量黑洞的质量。

第一个 TDE 候选者是在 ROSAT X 射线和星系演化探测器紫外线太空望远镜的数据中发现的。它们表现为来自先前休眠星系中心的持续数周至数月的耀斑事件。作为这种长期预测现象的最初表现，这些发现对于建立一个全新的研究领域尤为重要。然而，由于它们主要在旧数据中被发现，天文学家无法实时跨多个波长研究它们，以解开它们最深层的秘密。为了在 TDE 发生时捕捉到它们，天文学家要么非常幸运，要么能够持续观测广阔的天空。

幸运的是，在过去十年中，数据存储和传感器的稳步进步使这种雄心勃勃的观测成为可能。高端光学相机现在可以在单次快照中拍摄一度或更大的天空区域，这种情况类似于多年来通过吸管观察天空后，突然用全景镜头看到天空。通过反复观测大片天空区域，并将生成的图像进行数字组合，以梳理出微弱的瞬时特征，天文学家现在能够更轻松地发现和研究 TDE 以及许多其他瞬态天体物理现象。这些新的广域巡天，如全景巡天望远镜和快速反应系统 (Pan-STARRS)、兹威基瞬变设施 (ZTF) 和全天自动化超新星巡天 (ASAS-SN)，主要旨在识别超新星和小行星，但它们可以做更多的事情。由于它们每晚可以拍摄数百万个星系的图像，因此它们也对更奇特的瞬变现象（如 TDE）敏感。

新时代的新问题

2010 年，在 Pan-STARRS 首次投入使用后不久，由天文学家苏维·格扎里领导的一个团队发现了一个名为 PS1-10jh 的 TDE，它发生在一个质量约为 200 万太阳质量的黑洞周围，该黑洞位于距离地球约 27 亿光年的星系中。由于这个 TDE 在数据收集后不久就被注意到，格扎里和她的同事们首次能够在随后的光学和紫外线观测中观察到它的展开。他们的发现令人震惊。

根据对其光谱的仔细测量，这个特定的 TDE 似乎太冷了。它的温度约为 30,000 摄氏度，比大多数基本吸积盘理论预测的温度低八倍以上。此外，PS1-10jh 并没有像它的吸积盘冷却和消散那样在几周内消退，而是在最初发现后的几个月里保持了恒定的温度。最奇怪的是，Pan-STARRS 在余辉中探测到电离氦的迹象——这种物质只能由超过 100,000 摄氏度的温度产生。尽管 TDE 似乎富含氦，但它似乎也缺乏氢，氢是宇宙中最丰富的元素，也是恒星的主要成分。理论家们开始研究是什么原因导致了如此令人困惑的结果。

为了解释 PS1-10jh 缺乏氢，Pan-STARRS 团队认为，被瓦解的恒星在过去的某个时候失去了其厚厚的氢包层，可能是在之前与黑洞的相互作用中失去的，只留下恒星富含氦的核来喂养观测到的吸积盘。但这本身无法解释 TDE 奇怪的热差异——其惊人的低温，以及与之矛盾的是，其富含由更高温度电离的氦。为了解决这个谜团，其他理论家假设 PS1-10jh 的紧贴黑洞的吸积盘实际上并没有被直接观察到。相反，天文学家一定看到了黑洞外部远处的一层气体面纱，这层面纱吸收了吸积盘产生的强烈辐射，并在较低的温度下重新发射出来。这种面纱还将带来额外的好处，即在不需要奇异的富氦核作为 TDE 的前身的情况下，澄清氢的明显缺失。在合适的温度和相当高的密度下，这样的面纱可能会掩盖氢的存在，使其在眼皮底下隐藏起来。

唯一的问题是，在距离星系中心黑洞所需的距离处，厚厚的气体面纱是不稳定的——随着时间的推移，气体要么会落入黑洞，要么会消散到不可见。这种物质的模糊起源仍然是激烈辩论和研究的主题，但广义上讲，可以分为两种可能性，这两种可能性都与进食黑洞的动力学有关。当一颗瓦解的恒星的残骸围绕黑洞环绕以形成不断增长的吸积盘时，冲击波会向外扩散到远离吸积盘的地方，以阻止一些外围碎片立即落入，从而形成临时的物质屏障。或者，新生 TDE 吸积盘最初可能会向内漏斗如此多的物质，以至于它短暂地超过了黑洞的进食能力，从而在黑洞外部形成瞬时风或外流，将恒星碎片推到吸积盘之外更远的距离。

当天文学家梳理 PS1-10jh 和随后不久发现的其他 TDE 的这些混乱的可能性时，有一件事变得非常清楚：TDE 是一种比任何人之前认识到的都复杂得多的现象。然而，最大的惊喜还在后头。

来自雨燕卫星的冲击

2011 年 3 月 28 日黎明前的几个小时，世界各地一个敬业的天文学家团队的寻呼机和手机上响起了自动警报。雨燕卫星刚刚探测到来自太空深处的高能辐射脉冲。雨燕卫星由美国宇航局与意大利和英国的研究机构合作建造，是一架敏捷的太空望远镜，旨在研究天空中所有类型的爆炸天体。但其主要目标是伽马射线暴 (GRB)——灾难性的恒星爆炸，是宇宙中最明亮的天体物理事件。每当大量伽马射线滴入雨燕卫星的传感器时，望远镜都会快速重新定向，以在 X 射线和可见光中观察源，并向地球发送信号，触发地球上一系列复杂的事件。在收到雨燕卫星的警报后不久，天文学家争先恐后地征用世界上最大的、最强大的望远镜，以寻找与 GRB 相关的任何类似余烬的余辉，以免它永远从视野中消失。自 2004 年发射以来，雨燕卫星已经发现了大约 1,400 个 GRB，但这次特殊的事件，后来被称为 Swift J1644+57，被证明与卫星之前见过的任何事件都不同。

顾名思义，GRB 往往是短暂的，通常持续时间在几分之一秒到几分钟之间。当我们在 3 月初的那个清晨将望远镜转向 Swift J1644+57 时，我们期望看到短暂 GRB 的标准、逐渐消退的余辉。相反，我们观察到明亮、不稳定的伽马射线耀斑持续了一天，随后是持续数月的强烈但逐渐消退的 X 射线辐射。很快，我们就追踪到爆炸源位于天龙座中一个距离我们约 38 亿光年的星系中。我们的一位同事，加州大学伯克利分校的约书亚·S·布卢姆，认为我们目睹了一次 TDE，并正确预测这个特殊的伽马射线源将在星系的中心被发现——超大质量黑洞的活动场所。但是，所有以前的 TDE 都是在更长、更低能量的波长下探测到的，观察者在那里看到了被撕裂恒星的吸积盘的热辐射，而这次的事件则完全不同。

TDE 如何产生伽马射线？我们能想到的最好答案是黑洞是邋遢的“食客”。黑洞会吞噬一颗被瓦解的恒星的大部分气体，将其永远锁定在事件视界（边界，超过该边界，黑洞的引力如此之大，以至于连光都无法逃脱）之后。但是，所有黑洞都可能旋转，这种旋转可以将一小部分被瓦解的恒星的总气体推向黑洞的两极，在事件视界之外，气体在那里被加速并作为准直粒子束喷射出来，以接近光速的速度移动。快速移动的光束在宇宙中疾驰时会发射伽马射线和 X 射线。显然，雨燕卫星恰好发现自己处于 Swift J1644+57 的光束路径中。这是一个幸运的捕获——并非所有 TDE 都会产生这种相对论性外流，而且大多数产生这种外流的 TDE 可能都错过了我们的视线。

在将 Swift J1644+57 检测为灵感后，雨燕卫星团队开始有计划地搜索更多事件。截至 2021 年初，已发现另外三个发出伽马射线喷流的 TDE。这些最罕见、最强烈的恒星死亡哀嚎是研究现代高能天体物理学中最重要研究课题之一——相对论性粒子喷流的产生和行为——的一种新颖方法。

世界的消亡

无论是通过恒星碎片吸积盘的热辐射，还是通过吞噬恒星的黑洞相对论性喷流喷射出的伽马射线，TDE 都为我们提供了一个了解超大质量黑洞及其周围环境的行为和演化的新窗口。最重要的是，与类星体更大、持续时间更长的喷流和吸积盘不同，后者是由大量气体在非常长的时间尺度内混乱地坠入超大质量黑洞而产生的，TDE 是短暂、干净的事件，更容易研究。没有人能够活到目睹单个类星体的完整生命周期，但天文学家已经发现并研究了 30 多个从开始到结束的 TDE。在这些恒星灾难的细节中，他们已经瞥见了诱人的怪癖，这些怪癖有待进一步研究。通过精确测量来自 TDE 的波动耀斑，天文学家不仅了解了黑洞，还了解了数十亿光年外被撕裂恒星的详细成分和内部结构。

他们甚至最终可能会了解恒星的伴星——被黑洞吞噬的行星。来自遥远星系中心的每一次闪烁都可能预示着整个世界的死亡。我们银河系中恒星的巡天发现，几乎每颗恒星都拥有行星；行星可能也伴随着其他星系中的大多数（如果不是全部）恒星，包括那些遭受 TDE 的恒星。即使行星没有被直接吞噬，它们仍然可能发现自己处于某些 TDE 产生的瞬态相对论性喷流的路径中，这些喷流延伸到黑洞源之外数光年。任何不幸被这种光束击中的行星系统中的生命都将迅速灭绝。总有一天，天文学家可能会在我们宇宙的后院目睹一次 TDE，届时，在我们银河系贫瘠气体中心静静潜伏的四百万太阳质量的黑洞，将在吞噬一些流浪恒星时爆发活力。它会非常明亮，但也很安全，因为我们离银河系中心太远了，TDE 最危险的影响无法到达我们这里。

更强大的巡天的出现预示着 TDE 发现的新时代。Vera C. Rubin 天文台是一架目前正在智利建造的 8 米望远镜，其视场覆盖天空的 10 平方度，仅在投入使用的十年内就将发现数千次此类爆发。在某些方面，Rubin 科学最具挑战性的方面将是从海量的瞬变发现中进行筛选。计划中的射电天文台，如正在澳大利亚和南非建造的平方公里阵列，特别适合识别相对论性喷流，即使这些喷流是“离轴的”，这意味着它们不是直接沿着我们的视线束缚的。

在不久的将来，天文学家可能会组装一个包含成千上万个条目的 TDE 目录，比任何个人一生中可以研究的都要多，从而为那些难以捉摸的饥饿幽灵、否则无法接近的超大质量黑洞（它们位于宇宙中所有星系的中心）提供新的光芒。从那丰富的、不断增长的知识库中，我们只能梦想未来可能会出现哪些革命性的发现。