科學家發現：黑洞吃星際碎片也能「噎住」

在距地球300萬光年的宇宙深處，有一個遙遠星系，它的中心是一個超大質量黑洞。科學家最近發現，這個黑洞在「吃」一個恆星時，突然「噎住」了。

近日，發表在天體物理學雜誌上的一篇論文中，來自MIT和NASA的研究人員報道了一次「潮汐撕裂耀斑」——黑洞湮滅周圍恆星時發生的一種強烈的電磁輻射爆。這個耀斑在2014年11月首次被發現，從那以後就成了天文學家們關注的焦點，他們調動了很多望遠鏡對其進行了一年多的觀察，希望從中得到黑洞生長和進化的信息。

在這幅想像畫中，厚厚的吸積盤在一個超大質量黑洞周圍形成。一顆在邊緣遊走的倒霉恆星被黑洞捕捉住撕成粉碎，恆星的遺骸向黑洞中心墜落，融入了那團地獄火般的氣體雲盤中。雲盤中心不時向外輻射著光和紫外線，還有X射線的回聲。科學家正是利用這些逃逸出來的光線研究鬼魅般存在的黑洞。(Image:NASA/Swift/Aurore Simonnet, Sonoma State University)

這個由MIT領導的團隊對兩個不同的望遠鏡的數據分別進行了分析，發現了耀斑能量譜有一個奇怪的特徵：恆星碎片發出的可見光和紫外光光譜出現了異常擾動。而在32天後，科學家在X射線光譜中找到了同樣的擾動。

電腦模擬顯示，恆星剛接近黑洞時就被黑洞那強大的引力快速地撕裂，產生的碎片在下落過程中相互碰撞，爆發出大量可見光和紫外光。碎片落越下落就越熱，發出的光波長就越短，終於在墜入黑洞一瞬間爆發出相同模式的X射線。

「實際上，這個黑洞並不是那麼餓，只是突然漂來了一顆肉質豐富的恆星」，Dheeraj Pasham是這篇論文的第一作者，也是麻省理工學院Kavli天體物理和空間研究所的博士。「我們看到，這塊星際物質並不是被黑洞一口吞下去，而是下落的過程中與自身發生相互作用，走走停停，看起來就像黑洞在「吃」這塊兒星際物質的時候噎住了。」

Pasham說宇宙中隱藏著很多看不見的黑洞，它們並沒有活躍地吸積周圍的恆星，像冬眠了一樣，潮汐撕裂耀斑成了我們認識這類黑洞的一扇窗戶。「幾乎每一個大質量星系的中心都有一個超大質量的黑洞，」Pasham說，「但我們一般是無法觀察到它們，除非發生潮汐撕裂耀斑。」

當一顆恆星靠近黑洞時，它被黑洞的巨大的引力撕扯拉碎。就像臨死前最後一聲哀嚎，被撕碎的恆星發出能量巨大的電磁波輻射，頻率從X射線到高能伽瑪射線，涵蓋了整個波段。這種現象在宇宙中很罕見。

「你要盯著一個星系看一萬到十萬年才能等到一次恆星被黑洞吞噬的事件」，Pasham說。然而就在2014年11月11號，一個叫ASASSN的機器人望遠鏡全球網路幸運地捕捉到了一次潮汐撕裂耀斑，這次事件發生在距離地球300萬光年處星系中心。科學家迅速地從別處調用其它望遠鏡進行觀察，在太空軌道上的NASA 的Swift衛星也加入了觀察的隊伍中。

「我們很幸運，在它真正到來時大家都做好了充分的準備。」Pasham說。「望遠鏡之間的數據共享讓我們得以分析巨量的數據。」

Pasham和他的同事打算利用這些數據解決一個長期困擾他們的問題：耀斑的最初爆發位置是哪裡？黑洞動力學的模型告訴我們，X射線的爆發離黑洞非常近，但是可見光和紫外線的爆發點卻仍然很難找到。找到這個位置十分關鍵，藉此我們可以推算一個恆星是何時開始被黑洞撕裂的。

「超質量黑洞和它們的宿主星系都是在不斷生長的」,Pasham說。「如果我們能知道潮汐撕裂耀斑中發生了什麼，就可以理解黑洞和星系的共生進化過程。」

研究人員追蹤了ASSASSN-14i耀斑發生後的270天內的情況, 通過分析Swift衛星和Las Cumbres天文台全球望遠鏡上採集的X射線和可見光/紫外線數據，他們發現了X射線譜上的兩個峰，一個在第50天，一個在第110天，中間第80天左右有一個低谷。而在可見/紫外波段上，他們發現了一模一樣的擾動。

為了解釋這種能量「回聲」，團隊用電腦模擬了黑洞吞噬恆星的全過程。他們對吸積盤（由環繞黑洞的恆星碎片構成的橢圓形盤），最概然速率，半徑，和墜落速度（物質墜入黑洞的速度）都進行了模擬。模擬結果告訴我們，可見光/紫外線爆很可能發生在黑洞外圍的碰撞中，撞碎後的物質向黑洞中心墜落的過程中被加熱，最終發出了X射線。這正導致了X射線的延遲，該結果與觀察一致。

「對於緩慢吸積的超大質量黑洞來說，這種現象不會發生」，Pasham說：「因為恆星的質量被黑洞緩慢連續地吸走，吸積盤中的物質緩慢地繞黑洞旋轉，緩慢地丟失著能量。但是ASSASN-14li的耀斑卻是另外一回事兒。就好你你突然扔給黑洞一大塊物質，這些物質在下落的過程中會與自身發生反應，再下落，再反應。如果將來還有機會觀察到別的潮汐撕裂耀斑現象，我們還要看會不會有類似的現象發生。」

這項研究部分受資助於NASA.Pasham的共同作者包括麻省理工學院Kavli研究所的博士後：Aleksander Sadowski，美國航空航天局Goddard太空飛行中心的研究部，以及來自馬里蘭大學的研究者，來自哈佛大學Smithsonian天體物理研究中心，哥倫比亞大學和約翰霍普金斯大學的研究者者。

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