黑洞撕裂恒星觸發(fā)全星系閃光

——一次未發(fā)生的“宇宙啞炮”，卻點亮了理解星系光明的新路徑

（圖：藝術(shù)家構(gòu)想的潮汐瓦解事件示意圖｜來源：ESO / MPE / Gillessen et al.）

2014年，當(dāng)模糊天體G2繞人馬座A運行時，天文學(xué)家預(yù)測它會呈現(xiàn)出這樣的景象。歐洲南方天文臺S。吉勒森馬克斯普朗克地外物理研究所馬克沙爾特曼

有一個名為G2的奇異云狀天體，它靠近了人馬座A（SgrA）——銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞。天文學(xué)家對此頗為興奮，部分原因是他們認(rèn)為它可能會被人馬座A強大的引力撕裂。但這種情況并未發(fā)生，這次事件最后成了一場宇宙啞炮。G2繞過黑洞，在飛掠過程中幸存下來，并繼續(xù)沿著一條縮短了的軌道運行。多項觀測顯示，它不僅僅是一團氣體云。它很可能是一個被塵埃云包裹著的原恒星天體，或者也許是幾顆合并的恒星。

（圖：G2接近人馬座A* 的真實觀測序列合成圖｜ESO/VLT）

如果G2與人馬座A發(fā)生更直接的相遇，當(dāng)天體G2被撕裂，其物質(zhì)被加熱并產(chǎn)生耀眼的耀斑時，天文學(xué)家或許能捕捉到照亮銀河系的炫目光景。即便這種情況并未發(fā)生，但此類耀斑活動或許能夠解釋，為何嵌于星系中的超大質(zhì)量黑洞（SMBH）自身雖不發(fā)光，卻能照亮黑暗。

（圖：高分辨率數(shù)值模擬中恒星被黑洞潮汐力拉伸的早期階段｜SPHExA）

雪城大學(xué)和瑞士蘇黎世大學(xué)的天文學(xué)家開展的新研究進(jìn)行了計算機模擬，解釋了黑洞引發(fā)的恒星毀滅如何導(dǎo)致耀斑活動。高分辨率計算機模型顯示，當(dāng)一顆恒星被卷入圍繞超大質(zhì)量黑洞的死亡螺旋時，它會被撕裂。撕裂產(chǎn)生的碎片最終會在黑洞周圍的吸積盤中繞著漩渦打轉(zhuǎn)。碎片碰撞產(chǎn)生的摩擦使其升溫并發(fā)光，其亮度通常超過整個宿主星系。這些被稱為潮汐瓦解事件（TDEs）的碰撞實際上會照亮星系。然而，沒有兩次事件是完全相同的，該團隊的模擬試圖解釋其中的原因。

（圖：藝術(shù)家對超大質(zhì)量黑洞撕裂恒星的描繪｜DESY / Science Communication Lab）

深入研究潮汐瓦解事件

潮汐瓦解事件（TDE）的活動是一個引人入勝的研究領(lǐng)域，因為每一次事件都有其獨特的活動特征。它的亮度如何上升、何時達(dá)到峰值以及衰減所需的時間，這些活動對于每一次耀斑來說都是獨一無二的。為了模擬這些現(xiàn)象，科研團隊不得不采用一種特殊的方法來模擬恒星的狀況以及它與黑洞的相互作用。此外，他們還需要考慮黑洞自身的特性。

（圖：光滑粒子流體動力學(xué)（SPH）模擬中恒星被分解為數(shù)十億粒子的初始狀態(tài)）

他們所采用的方法被稱為光滑粒子流體動力學(xué)。該方法將一顆恒星分解為若干粒子，這些粒子彼此之間通過流體動力學(xué)方式相互作用（即遵循與水流經(jīng)管道時相同的流體力學(xué)基本方程）。模擬使用了數(shù)百億個粒子來描繪被撕裂恒星的氣體，并展示了恒星被撕碎后發(fā)生的情形。這些碎片并未混亂地四散，而是形成了一條狹窄而連貫的物質(zhì)流，沿著可預(yù)測的軌道繞黑洞運行，隨后自身發(fā)生碰撞。正是這些碎片粒子的碰撞點亮了整個場景。

（圖：三維渲染展示碎片流自相交區(qū)域｜Favre et al., CSCS & UZH）

黑洞的貢獻(xiàn)

超大質(zhì)量黑洞（SMBH）極強的引力會將恒星撕裂，從而引發(fā)潮汐瓦解事件（TDE）。但還有其他因素也在起作用：黑洞的質(zhì)量、自轉(zhuǎn)速度，以及其自轉(zhuǎn)軸相對于恒星碎片在吸積盤中軌道平面的方向。這些因素會影響耀發(fā)開始的時間、亮度峰值以及持續(xù)時長。因此，如果一個正在吞噬恒星的黑洞處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，就會改變其周圍的時空環(huán)境，產(chǎn)生一種稱為節(jié)點進(jìn)動的現(xiàn)象。根據(jù)進(jìn)動的強弱，恒星碎片流可能會發(fā)生偏移，導(dǎo)致最終的耀發(fā)可能不會出現(xiàn)，或者變得非常微弱。在某些情況下，耀發(fā)甚至可能延遲數(shù)圈繞行之后才發(fā)生。

這一復(fù)雜性可能有助于解釋潮汐瓦解事件研究中一個長期存在的謎題：沒有兩次事件的觀測特征完全相同。有些事件光變曲線迅速上升并快速衰減，有些則演化得更為緩慢；有些亮度較高，有些則較暗；還有些表現(xiàn)出難以用現(xiàn)有理論解釋的行為。雖然黑洞質(zhì)量的差異或許能解釋其中一部分多樣性，但這些新模擬表明，黑洞自轉(zhuǎn)可能是造成這種多樣性的關(guān)鍵因素之一。

未來利用薇拉魯賓天文臺、南希格雷斯羅曼太空望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備對潮汐撕裂事件和超大質(zhì)量黑洞區(qū)域的觀測，將為該團隊的模擬提供更多檢驗機會。若能如此，將有助于他們更深入地理解遙遠(yuǎn)星系中黑洞的特性。

觀測前沿 · 即將啟程

? 薇拉·C·魯賓天文臺（2026年全面運行）
? 南�！じ窭姿埂ち_曼太空望遠(yuǎn)鏡（預(yù)計2027年發(fā)射）
? 中國空間站巡天望遠(yuǎn)鏡（CSST，2026年起科學(xué)運行）

如需更多信息

黑洞如何照亮黑暗

使用SPHEXA模擬潮汐撕裂事件：解析物質(zhì)流的回返過程

G2與人馬座A：銀河系中心的一場宇宙啞火

相關(guān)知識

黑洞是宇宙中一種極端致密的天體，其質(zhì)量大到足以使光束也無法逃脫其引力場，通常由大質(zhì)量恒星坍縮最終形成。它的邊界稱為事件視界，一旦物質(zhì)或輻射越過此界，便無法返回。黑洞中心存在一個密度無限大、體積無限小的奇點，周圍時空極度彎曲。科學(xué)家通過觀測吸積盤輻射、引力波及恒星運動等間接方式證實其存在。

BY: Carolyn Collins Petersen

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參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學(xué)名詞

3.原文來自： https://www.universetoday.com/articles/how-a-black-hole-and-a-shredded-star-could-light-up-a-galaxy

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