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銀河系中央超大質量黑洞"蘇醒" 宇宙中最亮的焰火

所屬欄目: 酷發現    發布時間: 2019-8-17 12:03:04   文章來源:互聯網

得益于新的大視場巡天項目,天文學家現在可以完整地見證黑洞“進食”恒星的整個過程。當一顆不幸的恒星出現在一個超大質量黑洞附近時,強烈的潮汐力會將恒星撕成碎片。這些碎片會形成吸積盤,緩慢墜入黑洞,這一過程發出的輻射就像恒星的“臨終哭泣”,會使先前休眠的黑洞暫時變得比星系中的所有恒星都要亮,成為宇宙中最明亮的焰火。

  在銀河系和其他幾乎每一個大星系的中心,都潛藏著一個深層的宇宙奧秘——一個超大質量黑洞。這些天體把數百萬至數十億個太陽的質量壓縮到比太陽系還小的區域內,它們是如此奇怪,以至于看起來非常神秘。還沒有科學家能夠解釋,自然界是如何將這么多物質壓縮到如此小的空間中。但可以肯定的是,超大質量黑洞伸出了無形的“引力之手”,以深刻而微妙的方式影響周圍星系的形成。科學家希望通過研究這些幽靈般的黑洞的生長及行為,揭開星系誕生和演化的秘密。

  但問題是,超大質量黑洞不發光,它們大部分時間都在休眠,我們看不見。只有當它們“進食”時,才會蘇醒過來,但超大質量黑洞的食物極其少有,因為圍繞它們旋轉的大多數氣體、灰塵和恒星都待在穩定的軌道上,超大質量黑洞根本吃不到。它們總是很饑餓,每當有數量可觀的東西恰巧掉入時,超大質量黑洞就會“瘋狂進食”,這一現象從非常非常遠的地方就能看到。

  在過去半個世紀的大部分時間里,科學家主要通過觀測類星體來研究這類正在享受盛宴的黑洞。類星體在1963年由天文學家馬騰·施密特(Maarten Schmidt)發現,它們是活動星系的超亮中心,每一個都比數十億個太陽還亮,無論你處在宇宙的哪個角落,都可以觀測到它們。當大量氣體塵埃沖向一個超大質量黑洞,繞黑洞轉動時,會發熱發光,持續數十萬或數百萬年,在這個時候就被認為形成了類星體。

  然而,類星體并不是理想的研究對象。它們是一些極端事件,通常都相當遙遠且相對罕見,其生命周期只構成了超大質量黑洞一生的一小部分。因此,它們提供的視角很有限,天文學家無法由此獲知我們星系的超大質量黑洞平常是如何“進食”和生長的。雖然研究人員還可觀測圍繞超大質量黑洞快速轉動的恒星,通過計算恒星的速度來研究它們,但這種方法只適用于非常近的天體——比如位于銀河系和臨近星系中的天體,只有在這個范圍內,當前的望遠鏡才可以分辨出單個恒星。

  1988年,英國天文學家馬丁·里斯(Martin Rees)提出了研究超大質量黑洞的第三種方法——直到最近,這種方法才真正顯示出了它的優越性。天文學家可以通過尋找來源于黑洞附近短暫而明亮的光芒來研究黑洞。這類爆發被稱為潮汐瓦解事件(tidal disruption event,TDE),當一個超大質量黑洞吞噬一顆不幸的恒星時就會發生。潮汐瓦解事件會持續幾個月而非幾千年,研究人員可以完整地見證從“進食”開始至結束的整個過程,并且在這個過程中黑洞周圍足夠明亮,不管是發生在附近還是遙遠的星系中,我們都能夠觀測到。

  潮汐力瓦解恒星

  潮汐瓦解事件非常劇烈,遠非海岸邊沖走游客浴巾的潮水能比。不過,兩者在原理上有相同之處。地球上的潮汐主要由月球的引力拖拽引起,即在靠近月球的一側,地球受到的拉拽更強。月球對地球遠端和近端的引力差被稱為潮汐力。在地球朝向月球的一側,潮汐力會產生一個高潮,有點反常的是,它也會在相反的一面產生一個高潮,當然潮汐力也會產生一個相應的低潮,不過是在與地月軸線的夾角為90度的地方。當一顆恒星在一個超大質量黑洞附近時——可能是被附近另一顆恒星的引力推到那里的——強烈的潮汐力可以將它撕成碎片。

  這顆恒星將以哪種方式消亡,取決于恒星和超大質量黑洞的大小。一個小而致密的天體,例如白矮星,抵抗潮汐力的能力遠比一個更大、更蓬松的類太陽恒星強,這類似于一個保齡球比一團棉花糖更難撕裂。最大的超大質量黑洞具有數十億倍太陽質量,它們太大了,大到無法引起潮汐瓦解事件——在潮汐力撕裂恒星之前,它們就已經吞噬了整個恒星。相反,數百萬個太陽質量的黑洞周圍的潮汐力將會撕裂距它約5000萬千米(約為水星與太陽的距離)內的大多數恒星。

  雖然撕裂一顆恒星這樣的大規模事件已經夠壯觀了,但這還只是一場煙花表演的開始。在恒星被撕裂之后,碎片將分散開,逐漸偏離恒星的原始軌道。基礎軌道力學指出,大約一半的碎片將被排出,成為從黑洞附近流出的纖長細絲,而另一半則旋繞黑洞,形成一個吸積盤 ——一種緩慢落入黑洞的螺旋環結構。當吸積盤的物質落入黑洞時,會加速至接近光速,并在引力和摩擦力的壓縮和加熱下,溫度不斷升高,在接近250 000℃時會開始發光。在幾周或幾個月的時間內,一次典型的潮汐瓦解事件將導致先前休眠和看不見的黑洞暫時比星系中的所有恒星都要亮。

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