被黑洞撕碎？

科技 03-13

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被黑洞撕碎？

天文學家們表示，長時間被誤認為的最亮的超新星其實並不存在。取而代之的是一個大質量黑洞將一顆恆星撕碎的過程。而且這個過程只有在黑洞旋轉時才會發生。

被黑洞撕碎？

當一顆恆星飛向一個高速旋轉的、大質量的黑洞，它會被黑洞的引力撕碎。雖然這個黑洞擁有1億倍太陽的巨大質量，但是由於旋轉，橢圓的視界只有大約200倍恆星質量的力去撕碎這個恆星。恆星中物質的溫度快速的升高並發出強光。

2015年6月，全天自動超新星探索項目(all sky automated survey for supernovae，簡稱ASASSN)的兩個位於智利的14厘米口徑望遠鏡發現一個點狀天體，其位於星圖南方的一個星系裡。

被黑洞撕碎？

智利的14厘米口徑望遠鏡發現一個點狀天體——ASASSN-15lh

這個光度只有17星等的目標並不是十分的顯眼，但是在接下來的觀察中，該目標（命名為ASASSN-15lh）與星系之間z=0.233的紅移表明：它們之間的相隔了38億光年，並由此計算出ASASSN-15lh的絕對星等為-23,5。這是至今為止觀察到最亮的超新星光度的兩倍，一個標準Ia型超新星光度的200倍，也是銀河系所有恆星光度之和的20倍。「若是把它放在我們的銀河系裡，它將會比滿月還要明亮」，俄亥俄州立大學的Krzysztof Stanek 和ASASSN團隊的成員解釋道。

被黑洞撕碎？

一顆恆星被黑洞撕碎。恆星中的物質變熱，並開始劇烈的發光。圖中的順序展示了這個過程。

於是人們便開始推測這個天體擁有如此強光度的原因。對於一個標準的超新星，大部分爆發發出的光來源於膨脹的氣殼中拋射出的鎳-56 —一種大量存在於大質量恆星中的同位素—衰變放出的放射線。然而對於ASASSN-15lh來說，它含有的鎳-56元素太多，以致於超出超新星模型的極限。

對於這種特別亮的超新星有一個通俗的解釋，叫做極超新星。在一些巨星坍縮的最終階段變成所謂的磁星。它們是燃盡的，快速旋轉的，大質量的並有中子星密度的天體，而且它們的磁場強度大大強於一般的脈衝星。磁星的磁場使超新星爆發的能量變得更強，從而發出更強的光亮。然而ASASSN-15lh對於這個磁星模型來說仍是個極端情況。

在爆發後的最初四個月里，ASASSN-15lh一共釋放出了1.1×10∧45J的能量。為了解釋這些能量，人們必須對一個標準的磁星模型的數據作出修改。此外ASASSN-15lh在光度減弱後並沒有趨於平靜：爆發大約60天後它又變得明亮了。特別是在紫外線波段中尤為明顯，ASASSN-15lh的光度在130天後達到了第二個峰值（大約20星等）。

被黑洞撕碎？

2015年6月5日最大值後的ASASSN-15lh的光變曲線顯示了，在60天後紫外線波段中光度再次上升。這個情況一方面說明了黑洞的旋轉，另一方面顯示了該恆星發生了潮汐瓦解事件（TDE）。

比較兩次峰值，人們也觀察了一些普通的超新星，即超新星爆發產生的運氣與一些星際物質或雲氣相撞的情況。通過這樣的相撞必然會產生清晰的發射譜線，然而在ASASSN-15lh中卻沒有這樣的痕迹。ASASSN-15lh的周圍環境也與標準的超新星有違：人們在ASASSN-15lh的中心附近發現了一個雖然具有很大質量，但是卻沒有恆星誕生的不活躍的星系。極超新星大多會在年輕的、活動的星系中被發現：大質量的恆星在那裡誕生，也就有可能在那裡爆炸。

被潮汐力所毀滅

在2016年年底，以色列Weizmann學院，丹麥暗宇宙研究中心的 Gioros Leloudas和《自然天文（Nature Astronomy）》雜誌的一些同事們給出了另一個可能的答案。雖然以一顆恆星的死亡來解釋爆發是可行的，但也絕不是這樣一顆巨星。發出輻射的原因也許是一顆經歷過潮汐瓦解事件（TDE，tidal disruption event）的類似太陽的恆星。

通過TDE一顆恆星會被一個黑洞的潮汐力撕碎。恆星的碎片因此會聚集在引力中心周圍的一個圓盤上，並且最終落入黑洞中。Leloudas和他的同事們描述道：就同這十個月以來從ASASSN-15lh觀察得到的，恆星的碎裂、物質的升溫和向黑洞中跌落都會產生輻射。在他們的方案里不僅考慮發射譜線在光譜上的誤差也解釋了在不活躍星系中心ASASSN15-lh的狀況。而接下來的觀察證明了這一事實，ASASSN-15lh的狀態在其所屬星系的計算框架下是相符的，就像大部分星系一樣，中心存在一個大質量的黑洞。

通過這個星系的質量可以推算出黑洞的質量有1億倍太陽質量。但是有一個問題：一個如此大質量的黑洞在把一顆類似太陽的恆星撕碎之前，就會把這個恆星完全吞噬。因為黑洞的潮汐半徑在它的視界內。而為什麼放出的輻射也能夠逃脫黑洞的引力？

對於這個難題，Leloudas和他的團隊給出了一個理想的答案：這個黑洞是旋轉的。這種旋轉的黑洞被稱為「克爾黑洞」，這是由紐西蘭數學Roy Patrick Kerr的名字命名的。對於這種黑洞，其事件視界的範圍將會進一步擴大。通過自轉和周圍恆星的公轉，旋轉黑洞的視界將會變成得橢圓。旋轉的黑洞不僅是廣義相對論的一個可行解，在天體物理上同樣不可或缺：只有用愛因斯坦方程的克爾解才能將黑洞周圍的效應解釋清楚。在引力的波的證明下我們也能發現黑洞的自轉。對於這種情況，通過觀察ASASSN-15lh得到的信息，將會用於研究黑洞的自轉狀態，以及成為克爾黑洞存在的證據。

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