Nature：黑洞「打劫」恆星的發生概率實際偏高

撰文：王善欽

責編：魏玲海

審校：鄭永春

當一顆恆星經過星系中心的超大質量黑洞附近時，就有可能被黑洞俘獲並瓦解，然後它的一部分物質被黑洞吞噬，一部分逃逸出去，這就是「潮汐瓦解事件」。黑洞吞噬恆星物質的過程中，恆星物質會被加熱並發出強烈的光芒。天文學家本以為這類事件非常罕見，但最近（2017年3月1日）發表在《自然?天文》（Nature Astronomy）的一篇論文告訴我們，這類事件比人們之前認為的要常見，它們在超亮紅外星系中的發生率比之前認為的高出幾百倍。

圖：黑洞俘獲、瓦解和吞噬恆星，製造了潮汐瓦解事件（來源：http://www.astro.umd.edu/~tamarab/Site/Research/97187CB4-2B6A-40B8-9940-9EE36CABC885.html）

潮汐力與潮汐瓦解事件

天體之間的相互作用力會導致彼此發生變形，這種力被稱為「潮汐力」。地球上的潮水就是因為月球（以及太陽）對地球水體的潮汐力導致的。事實上，月球不僅對地球水體有潮汐力作用，對地球上的岩石圈也有潮汐力作用，這就是「固體潮」，固體潮雖然沒有那麼明顯，但確實存在。當天體之間靠得足夠近時，潮汐力就可能大到足以將其中一個星體瓦解，這個距離被稱為「洛希極限」。

宇宙中的大星系中心往往有超大質量黑洞（Supermassive black holes）。當一顆恆星近距離路過這個超大質量黑洞附近時，它可能被黑洞俘獲，並被其潮汐力瓦解為月牙形，然後被吞噬。這樣的事件被稱為「潮汐瓦解事件（Tidal Disruption Events，TDEs）」。

發生潮汐瓦解事件時，星體殘骸被加熱，發出強烈的光芒，其光學波段的亮度可以達到太陽亮度的數十億甚至數千億倍，其行為類似於超新星爆發，且其亮度往往可與最明亮的超新星相比，甚至超過後者。正由於兩者的類似性，至今為止，有個別事件（如ASASSN-15lh）到底是潮汐瓦解事件還是超新星，還在爭論中。

此外，黑洞吞噬這些物質時，可能從兩極噴發出極端高速的噴流，噴流中的一些物理過程會將裡面的電子加速，使其輻射出X射線，甚至伽瑪射線，因此，形成了持續時間達數千秒甚至上萬秒的超長伽瑪射線暴。

一旦觀測到潮汐瓦解事件，自然就能確定星系中心超大質量黑洞的位置，並根據觀測結果，計算出相應的黑洞的質量、自轉等性質。這些黑洞具有強大的引力，自身不發出任何輻射，處於休眠狀態時，因此無法被直接觀測到；但它們俘獲、瓦解和吞噬恆星的過程中，恆星殘骸發出的亮光，會使其短暫暴露。

這些年來，許多巡天項目，如ASAS-SN巡天、PTF與後續的iPTF巡天、SDSS、 PanSTARRS-1 (PS1)、ROTSE、OGLE等，觀測了大量星系，發現了一些潮汐瓦解事件。

至今為止被發現的潮汐瓦解事件列表見：https://tde.space/，該網頁收集了截至2015年的65個事件，即使加上2016年後確認的事件，如iPTF16axa，iPTF16fnl，也不會超過100個。

潮汐瓦解事件與活動星系核的區別

潮汐瓦解事件是由星系中心的超大質量黑洞瓦解、吞噬恆星導致的；而活動星系核是由星系中心的超大質量黑洞吞噬氣體雲與塵埃導致的。兩者均與星系中心超大質量黑洞有關，那麼它們的區別是什麼呢？

首先，潮汐瓦解事件中的黑洞俘獲的是路過的恆星，並將其瓦解、吞噬；而活動星系核中的黑洞吞噬的是周圍的氣體雲與塵埃。其次，活動星系核持續時間非常長，常常可以持續數萬年以上；潮汐瓦解事件持續時間短得多，一般就一年到幾年。

但是，如果活動星系核中的黑洞俘獲路過的恆星，那會怎麼樣？

超亮紅外活動星系中的潮汐瓦解事件

最近（2017年3月1日），英國謝菲爾德大學（University of Sheffield）物理與天文系（Department of Physics andAstronomy）的Tadhunter、Spence、Rose、Mullaney 與Crowther在《自然·天文》（Nature Astronomy）發表了一篇論文，研究了一個非比尋常的潮汐瓦解事件：這個潮汐瓦解事件的「肇事者」，正好是活動星系核中心的黑洞。

早在 1998 年，Kim等人就搜集了22 個紅移小於0.175 的超亮紅外星系（光學亮度超過太陽亮度的幾百億倍甚至幾萬億倍，紅外亮度也非常明亮），它們都是活動星系，其中心都是活動星系核，或者說，它們都是活動星系核的宿主星系。

2005 年到 2006 年，RodríguezZaurín 等人為了研究超亮紅外星系中的恆星分類，使用4.2 米口徑的威廉·赫歇爾望遠鏡，觀測了36 個星系，已經觀測到上述22 個星系中的19個星系（佔86%）的光譜。

Rodríguez Zaurín 等人又觀測到，其中的 15 個星系有寬的藍移發射線，這表明，這 15 個星系顯示出由其中心的活動星系核誘發出的氣體外流。

這 15 個超亮紅外星系，都是碰撞星系，處於碰撞最劇烈的階段，大量暖氣體流向星系中心的超大質量黑洞。大量氣體的流動，也導致了星系內大量恆星加速形成，使這些活動星系同時成為星暴（starburst）星系。

這個閃耀在 V 波段的峰值（最亮時）的絕對星等低於??20.1?等（因為塵埃消光未被考慮進去，無法得到精確值）。經過熱修正之後，得到它的峰值熱亮度，為 4乘10的36次方瓦特，到1.4乘10的38次方瓦特之間。即使取其下限，它也比典型的Ia型超新星還亮好幾倍，其上限則超過了所有超亮超新星的峰值亮度。

Tadhunter 等人認為，這個光學閃耀的亮度變化特徵、光譜特徵，與任何已知的超新星或者活動星系核都不符合，因此，它很可能是一個潮汐瓦解事件。

正因為這次潮汐瓦解事件的持續時間特別長，所以在其發生後 5 年還觀測到它所發出的發射線。經過計算可知，它在 2010 年到2015 年之間輻射出的能量，為3乘10的44次方焦耳，到1.1乘10的46次方焦耳之間，是普通超新星輻射能量的一百倍到一萬倍，是超亮超新星的輻射能量的一倍到幾十倍，因為真正的超亮超新星的輻射能量一般為10的44次方焦耳，不超過10的45次方焦耳。

假定這個星系中心的黑洞的質量是2500萬個太陽質量，科學家們推斷出被俘獲、瓦解的恆星的質量不超過 0.3 個太陽質量。如果從輻射以及能量轉化效率（假定為10%）來推斷，被瓦解的恆星被消耗掉的質量範圍為 0.02 到 0.61 太陽質量之間。注意，潮汐瓦解過程中，並不是恆星的全部質量都被吞噬，而是有一部分逃逸。所以，恆星本身的質量要超過這個範圍。

黑洞潮汐瓦解事件的發生率

此前，天文學家認為，潮汐瓦解事件非常稀少，每個星系每幾萬年才發生一次。根據這個研究，Tadhunter 等人指出，之前的觀測具有選擇效應，因此得到的發生率較低。如果針對超亮紅外星系，潮汐瓦解事件的發生率，可以達到每個星系每一百年出現一次，是之前推斷出的發生率（每幾萬年一次）的數百倍。考慮到超亮紅外星系中的大量塵埃遮蔽了大部分可能的事件，這樣的星系中，潮汐瓦解事件的真實發生率，可能達到每個星系每10年出現一次。

紅外星系有著特別高的潮汐瓦解事件發生率，是因為碰撞導致大量恆星接近中心黑洞，從而被俘獲、瓦解。也就是說，星系碰撞會顯著提高潮汐瓦解事件發生率。

但是，必須注意的是，「潮汐瓦解事件的發生率增加幾百倍」，這個結論只對碰撞星系（超亮紅外星系）有效；對於普通星系，潮汐瓦解事件的發生率不變。

銀河系中的潮汐瓦解事件

天文學家們早就知道，銀河系與距離我們200多萬光年遠的仙女星系正在彼此靠近，並會在幾十億年之後合并為一個更大的星系。這樣的合并會導致其中很多恆星到處亂飛，有些就會被原先處於銀河系與仙女星系中間的超大質量黑洞所俘獲、瓦解，形成潮汐瓦解事件。

Tadhunter在接受科學新聞記者採訪時說，屆時，每隔幾十年左右就可以在地球上用肉眼看到一次閃耀，它們看上去比夜空中的所有星星都亮得多。也就是說，如果我們可以傳宗接代到我們的孫輩的孫輩的孫輩（重複大約一億次）的孫輩，他們與她們就會經常用肉眼看到潮汐瓦解事件。

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