银河系中央超大质量黑洞"苏醒" 宇宙中最亮的焰火

　　宇宙中最亮的焰火

　　虽然理论学家在几十年前就预言了潮汐瓦解事件的存在，但直到20世纪90年代和21世纪初，天文学家才真正观察到这一现象。之所以花了这么长时间才观察到，是因为潮汐瓦解事件非常稀有——据估计，在银河系这样的星系中，每10万年才发生一次潮汐瓦解事件。这类事件也很难观测到。简单的理论模型表明，潮汐瓦解事件中，吸积盘的发光峰值应该在电磁光谱上所谓的软X射线或远紫外部分。但由于星际尘埃和地球大气的干扰，科学家难以从地面上对这个波段进行观测。

　　同样的模型还表明，天文学家可以利用潮汐瓦解事件对黑洞质量进行相对精确的估计。质量是一个关键数据，可以帮助天文学家解释黑洞的大小是如何影响自身行为及所在星系环境的。要测量黑洞的质量，天文学家只需简单测定潮汐瓦解事件达到峰值亮度所花的时间（它揭示了吸积盘形成和黑洞“进食”的速度）。潮汐瓦解事件是如此明亮，研究人员可以利用它们确定更遥远的超大质量黑洞的质量，这一点其他任何已知现象都办不到。

　　根据伦琴X射线天文台（ROSAT）和星系演化***（Galaxy Evolution Explorer）紫外空间望远镜的数据，天文学家发现了第一批潮汐瓦解事件候选者。它们是一些爆发事件，持续时间从几周到几个月，而且位置处于先前休眠的星系中心。作为早期理论预测的现象的首批潜在观测证据，这些发现对建立一个全新的研究领域格外重要。然而，由于这些证据主要是从旧数据中发现的，天文学家错失了在多个波段上实时研究它们的时机，无法揭开最深层次的秘密。而要想在潮汐瓦解事件刚发生时就发现它们，天文学家必须非常幸运，或是持续不断地在广阔的天空搜寻。

　　幸运的是，过去10年中，数据存储和传感器的稳步发展使这种雄心勃勃的巡天项目成为可能。现在，一台高端光学相机能在单次快照中对一平方度或更多的天空区域成像，这种情况类似于在通过“管窥”的方式观察研究天文事件多年后，突然用全景镜头去观察天空。通过反复进行大面积巡天，并以数字化的方式合并得到的图像，剔除暗弱的临时特征，天文学家现在能更容易地发现和研究潮汐瓦解事件和一系列其他暂现天体物理现象。这些新的大视场巡天，例如全景巡天望远镜和快速响应系统（Panoramic Survey Telescope and the Rapid Response System，Pan-STARRS，简称泛星计划）、帕洛马暂现源工厂（Palomar Transient Factory，PTF）和全天空自动超新星巡天（All-Sky Automated Survey for Supernovae，ASAS-SN）主要设计用于识别超新星和小行星，但除此之外，它们还可以做更多。因为它们每晚可以对数百万个星系成像，对潮汐瓦解事件这类更奇异的暂现现象也很敏感。

　　类星体是宇宙的灯塔，它们形成于超大质量黑洞“进食”星系气体时，但对研究超大质量黑洞是如何“进食”的天文学家来说，此类罕见、遥远并迟缓的事件，并不是理想的研究对象。天文学家现在正在监测那些吞食单个恒星的巨大黑洞。

　　目睹黑洞吞噬恒星

　　2010年，在Pan-STARRS开始运行后不久，美国天文学家苏维·吉扎里（Suvi Gezari）带领的团队发现了一次潮汐瓦解事件（被称作PS1-10jh）， 这一事件发生在质量约为200万个太阳的黑洞周围，所在星系距离地球约27亿光年。由于这次事件是在数据收集后很短时间内发现的，吉扎里和同事第一次能够在后续的光学和紫外波段观测和研究它。他们的发现非常令人吃惊。

　　从光谱来看，这次特殊的潮汐瓦解事件显得非常“冷”，温度大约在30 000℃，还不到大多数吸积盘基本理论预言的1/8。而且，PS1-10jh并没有随着吸积盘的冷却和消散在数周内逐渐消失，而是在初次发现后的很多个月内都维持温度不变。最奇怪的是，Pan-STARRS在PS1-10jh的余辉中探测到了电离氦的信号——这只有在温度超过100 000℃时才可能产生。此外，虽然天文学家在这一潮汐瓦解事件中探测到了大量的氦，但似乎没有探测到氢——宇宙中丰度最高的元素，同时也是恒星的主要元素。理论学家已经开始着手研究，是什么机制产生了如此让人困惑的结果。

　　为了解释PS1-10jh为何缺乏氢元素，Pan-STARRS团队提出，这个被瓦解的恒星可能在之前的某一个时刻，比如在和黑洞相互作用的过程中，已经失去了厚厚的氢包层，只剩下富含氦的核为吸积盘提供物质。但这样还不足以解释这次潮汐瓦解事件中非常奇怪的热矛盾——惊人的低温与大量需要很高温度才能产生的电离氦。为了解答这个谜团，其他理论学家提出一个假定，那就是在PS1-10jh中，黑洞周围的吸积盘实际上并没有被直接观测到。相反，天文学家观测到的是距离黑洞更加遥远的一层类似于面纱状的气体，它们吸收了由吸积盘产生的强烈辐射，然后以更低的温度重新辐射出来。这层面纱的额外好处是可以解释氢的缺乏，而不需要一个奇怪的、富含氦的星核作为这个潮汐瓦解事件的主角。只要温度合适，密度也较高，这样一层面纱完全有可能遮掩氢的存在，把氢隐藏起来。

　　但问题是，如果处在上文所说的距离上，这层厚厚的面纱状气体是不稳定的——随着时间流逝，这些气体要么掉入黑洞，要么消散得无影无踪。面纱状气体的起源也是激烈争论和研究的焦点，总的来说，面纱状气体的起源有两种可能性，这两种可能都与吸积黑洞的动力学有关。当被瓦解的恒星残留物围绕黑洞转动，形成一个逐步增长的吸积盘时，激波会像涟漪般从盘中向外传播，阻止外围的一些残留物直接掉落，形成一个临时的物质屏障。或者，一个刚发生的潮汐瓦解事件的吸积盘也许最初向内提供了非常多的物质，以至于在短时间内超过了黑洞吸积的极限，在黑洞外围形成的暂时的风或者外流，将恒星的一些残留物推出吸积盘，停留在更远的距离上。

　　天文学家提出了各种假设来解释PS1-10jh和接下来发现的其他潮汐瓦解事件，并试图自圆其说，他们越来越意识到：潮汐瓦解事件是一个比之前任何人预想的都要复杂的现象。但他们没有料到的是，更大的意外还在后面。

　　来自“雨燕”的震撼

　　这个意外在2011年3月28日凌晨到来，一条自动产生的提示信息发送到了全世界多位天文学家的手机上。“雨燕”（Swift）刚刚探测到了来自深空的高能辐射脉冲。雨燕是一个灵活的空间望远镜，由美国航空航天局和意大利及英国的研究所合作建成，用于研究天空中所有类型的爆发天体。但雨燕的主要目标是伽马暴——一类灾变性恒星爆发，也是宇宙中最亮的天体物理事件。每当有伽马射线流进入雨燕的传感器，这个望远镜会迅速重新定位并在X射线和光学波段观测这个射线源，同时通知地面，触发一连串的地面观测项目。

　　一收到雨燕的提示信息，天文学家就会争相利用世界上最大、最强有力的望远镜，赶在伽马暴永远消失之前寻找任何与此相关的天文现象。自2004年发射以来，雨燕已经发现了1000多个伽马暴，但是这一次特殊事件（后来被称为Swift J1644+57），与这个望远镜之前发现的任何事件都不同。

　　就像它们的名字所示，伽马暴通常是短暂的，持续时间一般在零点几秒到几分钟之间。那年3月的清晨，我们将望远镜指向Swift J1644+57，本来期盼看到一个来自短时标伽马射线暴的、典型且逐渐消失的余辉，然而我们观测到了明亮、持续了一天的不规则伽马射线暴，之后是持续数月的剧烈且逐渐衰减的X射线辐射。很快，我们就确定这次爆发来自于38亿光年外、位于天龙座（constellation of Draco）的一个星系。我们的一位同事，加利福尼亚大学伯克利分校的约书亚·S·布卢姆（Joshua S。 Bloom），注意到这个伽马射线源位于星系的中心——超大质量黑洞的栖息地，并且认为我们目睹了一次潮汐瓦解事件。尽管之前所有的潮汐瓦解事件都是在波长更长、能量更低的波段探测到的（这时，观测者看到的热辐射来自于由碎片恒星形成的吸积盘），但这次事件却完全不同。

　　一个潮汐瓦解事件是如何产生伽马射线的？我们能够想到的最好回答是：黑洞是个邋遢浪费的吃货。黑洞会吞噬被撕裂恒星的大部分气体，把它们永远锁定在事件视界（黑洞周围的一个边界，通过这个边界之后，包括光在内的任何物质都无法逃逸）之内。但所有黑洞可能都会自旋，因此可能把被撕裂恒星中百分之几的气体推向黑洞的两极方向（位于事件视界之外），在这里气体被加速，并以一束准直的、接近光速运动的粒子束的形式抛射出去。快速运动的粒子束急速穿过宇宙时，会辐射伽马射线和X射线。显然，雨燕碰巧处在Swift  J1644+57粒子束的传播路径上。这一次，我们的运气很好——并不是所有的潮汐瓦解事件都能产生这样的相对论性外流，并且大多数相对论性外流的确很可能出现在我们的观测视线之外。

　　探测到Swift J1644+57鼓舞了雨燕团队，他们开始努力寻找更多的类似事件。2017年初，又有两个辐射伽马射线喷流的潮汐瓦解事件被发现。这是恒星的“临终哭泣”，是最罕见和强烈的天文现象，为天文学家研究相对论性粒子喷流的产生和行为（这也是当代高能天体物理中最前沿的研究课题之一）提供了一种新方式。

黑洞吞噬恒星的全过程

　　撰文:S·布拉德利·岑科（S。 Bradley Cenko）

　　尼尔·格雷尔斯（Neil Gehrels）

　　翻译:董燕婷?李东悦

　　审校:苟利军

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