在數(shù)億光年之外的一個(gè)遙遠(yuǎn)星系中，一顆圍繞超大質(zhì)量黑洞運(yùn)行的恒星正在黑洞的巨大引力下被猛烈撕裂。當(dāng)恒星被撕碎時(shí)，它的殘余物被轉(zhuǎn)化為一股碎片流，這些碎片落回黑洞，形成一個(gè)非常熱、非常明亮的物質(zhì)盤(pán)，圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)，稱(chēng)為吸積盤(pán)。這種現(xiàn)象 - 恒星被超大質(zhì)量黑洞摧毀并助長(zhǎng)發(fā)光吸積耀斑 - 被稱(chēng)為潮汐破壞事件(TDE)，并且預(yù)測(cè)TDE大約每10，000至100，000年在特定星系中發(fā)生一次。

由于光度在短時(shí)間內(nèi)(即比太陽(yáng)亮數(shù)十億倍)超過(guò)整個(gè)星系(即比我們的太陽(yáng)亮數(shù)十億倍)，吸積事件使天體物理學(xué)家能夠從宇宙學(xué)距離研究超大質(zhì)量黑洞(SMBH)，為其他靜止或休眠星系的中心區(qū)域提供了一個(gè)窗口。通過(guò)探測(cè)這些強(qiáng)引力事件，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論對(duì)于確定物質(zhì)的行為至關(guān)重要，TDE產(chǎn)生了有關(guān)宇宙中最極端環(huán)境之一的信息：黑洞的事件視界 - 不歸路。

TDE通常是“一次性完成的”，因?yàn)镾MBH的極端引力場(chǎng)會(huì)破壞恒星，這意味著SMBH在吸積耀斑后會(huì)逐漸消失在黑暗中。然而，在某些情況下，恒星的高密度核心可以在與SMBH的引力相互作用中幸存下來(lái)，使其能夠多次繞黑洞運(yùn)行。研究人員稱(chēng)之為重復(fù)部分TDE。

一組物理學(xué)家，包括主要作者，歐洲南方天文臺(tái)研究員Thomas Wevers，以及共同作者，雪城大學(xué)物理學(xué)助理教授Eric Coughlin和麻省理工學(xué)院Kavli天體物理和空間研究所的研究科學(xué)家Dheeraj R. “DJ” Pasham提出了重復(fù)部分TDE的模型。他們的研究結(jié)果發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》上，描述了SMBH捕獲恒星，每次恒星接近黑洞時(shí)物質(zhì)的剝離，以及材料被剝離和再次進(jìn)入黑洞之間的延遲。該團(tuán)隊(duì)的工作是第一個(gè)開(kāi)發(fā)和使用重復(fù)部分TDE的詳細(xì)模型來(lái)解釋觀測(cè)結(jié)果，預(yù)測(cè)遙遠(yuǎn)星系中恒星的軌道特性，并了解部分潮汐破壞過(guò)程。

該團(tuán)隊(duì)正在研究一種名為AT2018fyk的TDE(AT代表天體物理瞬變)。這顆恒星是由SMBH通過(guò)稱(chēng)為“希爾斯捕獲”的交換過(guò)程捕獲的，其中恒星最初是雙星系統(tǒng)(兩顆恒星在相互引力下相互繞行)的一部分，該系統(tǒng)被黑洞的引力場(chǎng)撕裂。另一顆(未捕獲的)恒星以~1000公里/秒的速度從銀河系中心噴射出來(lái)，被稱(chēng)為超高速恒星。

一旦綁定到SMBH，為AT2018fyk發(fā)射提供動(dòng)力的恒星每次通過(guò)與黑洞最接近的點(diǎn)時(shí)都會(huì)反復(fù)剝離其外殼。恒星剝離的外層形成了明亮的吸積盤(pán)，研究人員可以使用X射線和紫外線/光學(xué)望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀察來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的光線。

根據(jù)Wevers的說(shuō)法，有機(jī)會(huì)研究部分TDE可以對(duì)超大質(zhì)量黑洞的存在和星系中心恒星的軌道動(dòng)力學(xué)提供前所未有的見(jiàn)解。

“到目前為止，人們的假設(shè)是，當(dāng)我們看到恒星和超大質(zhì)量黑洞之間近距離相遇的后果時(shí)，結(jié)果對(duì)恒星來(lái)說(shuō)將是致命的，也就是說(shuō)，恒星被完全摧毀，”他說(shuō)。“但與我們所知道的所有其他TDE相反，當(dāng)我們幾年后再次將望遠(yuǎn)鏡指向同一位置時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)它再次變亮。這導(dǎo)致我們提出，與其說(shuō)是致命的，不如說(shuō)是恒星的一部分在最初的遭遇中幸存下來(lái)，并返回同一位置再次被剝離物質(zhì)，從而解釋了重新變亮的階段。

活到死的一天

AT2018fyk于2018年首次被發(fā)現(xiàn)，最初被認(rèn)為是普通的TDE。在大約600天的時(shí)間里，光源在X射線中保持明亮，但隨后突然變暗并且無(wú)法檢測(cè)到 - 這是恒星殘余核心返回黑洞的結(jié)果，麻省理工學(xué)院物理學(xué)家Dheeraj R. Pasham解釋說(shuō)。

“當(dāng)核心返回黑洞時(shí)，它基本上通過(guò)引力從黑洞中竊取了所有氣體，結(jié)果沒(méi)有物質(zhì)可以吸積，因此系統(tǒng)變暗，”Pasham說(shuō)。

目前還不清楚是什么導(dǎo)致了AT2018fyk光度的急劇下降，因?yàn)門(mén)DEs通常會(huì)平滑地逐漸衰減 - 而不是突然 - 在其發(fā)射中。但在下降大約600天后，再次發(fā)現(xiàn)源是X射線明亮的。這導(dǎo)致研究人員提出，這顆恒星在第一次與SMBH的近距離接觸中幸存下來(lái)，并且在黑洞的軌道上。

使用詳細(xì)的建模，研究小組的發(fā)現(xiàn)表明，恒星圍繞黑洞的軌道周期大約為1，200天，從恒星脫落的物質(zhì)大約需要600天才能返回黑洞并開(kāi)始吸積。他們的模型還限制了捕獲的恒星的大小，他們認(rèn)為這顆恒星的大小與太陽(yáng)差不多。至于最初的雙星，研究小組認(rèn)為這兩顆恒星在被黑洞撕裂之前彼此非常接近，可能每隔幾天就會(huì)相互繞行。

那么，一顆恒星如何在死亡中幸存下來(lái)呢?這一切都?xì)w結(jié)為接近度和軌跡的問(wèn)題。如果恒星與黑洞正面相撞并經(jīng)過(guò)事件視界 - 逃離黑洞所需的速度超過(guò)光速的閾值 - 恒星將被黑洞吞噬。如果恒星非常靠近黑洞并穿過(guò)所謂的“潮汐半徑” - 洞的潮汐力比保持恒星在一起的引力強(qiáng) - 它將被摧毀。在他們提出的模型中，恒星的軌道到達(dá)一個(gè)最接近的點(diǎn)，就在潮汐半徑之外，但并沒(méi)有完全穿過(guò)它：恒星表面的一些物質(zhì)被黑洞剝離，但其中心的物質(zhì)保持不變。

重復(fù)表演?

恒星繞SMBH運(yùn)行的過(guò)程如何或是否會(huì)發(fā)生在許多重復(fù)的通道中，這是一個(gè)理論問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在未來(lái)的模擬中研究這個(gè)問(wèn)題。錫拉丘茲物理學(xué)家埃里克·考夫林(Eric Coughlin)解釋說(shuō)，他們估計(jì)每次通過(guò)黑洞時(shí)，恒星質(zhì)量的1%到10%都會(huì)丟失，由于TDE發(fā)射建模的不確定性，范圍很大。

“如果質(zhì)量損失只有1%的水平，那么我們預(yù)計(jì)這顆恒星能夠存活更多的遭遇，而如果它接近10%，恒星可能已經(jīng)被摧毀了，”考夫林指出。

TDE 研究的未來(lái)

該團(tuán)隊(duì)將在未來(lái)幾年內(nèi)關(guān)注天空，以測(cè)試他們的預(yù)測(cè)。根據(jù)他們的模型，他們預(yù)測(cè)源將在2023年3月左右突然消失，并在2025年新剝離的物質(zhì)吸積到黑洞時(shí)再次變亮。

該團(tuán)隊(duì)表示，他們的研究為跟蹤和監(jiān)測(cè)過(guò)去檢測(cè)到的后續(xù)來(lái)源提供了新的前進(jìn)方向。這項(xiàng)工作還提出了一種來(lái)自外部星系中心的重復(fù)耀斑起源的新范式。

“在未來(lái)，可能會(huì)有更多的系統(tǒng)被檢查為后期耀斑，特別是現(xiàn)在這個(gè)項(xiàng)目提出了通過(guò)動(dòng)態(tài)交換過(guò)程捕獲恒星的理論圖景以及隨后的反復(fù)部分潮汐破壞，”考夫林說(shuō)。“我們希望這個(gè)模型可以用來(lái)推斷遙遠(yuǎn)的超大質(zhì)量黑洞的性質(zhì)，并了解它們的”人口統(tǒng)計(jì)“，即給定質(zhì)量范圍內(nèi)的黑洞數(shù)量，否則很難直接實(shí)現(xiàn)。

該團(tuán)隊(duì)表示，該模型還對(duì)潮汐破壞過(guò)程做出了一些可測(cè)試的預(yù)測(cè)，并且隨著對(duì)AT2018fyk等系統(tǒng)的更多觀測(cè)，它應(yīng)該可以深入了解部分潮汐破壞事件的物理學(xué)和超大質(zhì)量黑洞周?chē)臉O端環(huán)境。

“這項(xiàng)研究概述了可能預(yù)測(cè)外部星系中超大質(zhì)量黑洞下一次零食時(shí)間的方法，”Pasham說(shuō)。“如果你仔細(xì)想想，我們?cè)诘厍蛏峡梢詫⑽覀兊耐h(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)數(shù)百萬(wàn)光年外的黑洞，以了解它們是如何喂養(yǎng)和生長(zhǎng)的，這是非常了不起的。

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