天文學家發現黑洞以恆星為食的回聲

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】2014年11月11日一個全球的望遠鏡網路從3億光年的時間裡接收到由潮汐引起的爆炸產生的信號——當黑洞撕裂一顆經過的恆星時，會發生電磁能量的爆炸。自從這一發現以來，天文學家已經在這個非常罕見的事件上訓練了其他的望遠鏡，以了解黑洞如何吞噬物質並調節星系的生長。來自麻省理工學院和約翰霍普金斯大學的科學家們現在已經探測到了來自於與13天前同樣的耀斑所產生的x射線非常接近的事件的無線電信號。他們相信這些無線電「回聲」，與事件的x射線輻射相似超過了90%，這不僅僅是一個偶然的巧合。相反似乎是一種巨大的高能粒子射流從黑洞中湧出的證據，因為恆星物質正在下落。

例如當它正在積極地餵食時，對內部吸積流和來自超大質量黑洞的噴射的印象概念圖，例如它最近被撕裂的一顆恆星。圖片版權：ESO/L. Calada

麻省理工學院Kavli天體物理和空間研究中心的博士後Dheeraj Pasham說：高度相似的模式表明，從黑洞噴射出來的能量，某種程度上是受黑洞吞噬的速率控制的。這告訴我們，黑洞的攝取率控制著它所產生的射流的強度。一個營養充足的黑洞會產生一種強烈的射流，而營養不良的黑洞會產生一種弱射流，或者根本就不會產生射流。這是我們第一次看到由超大質量黑洞控制的飛機。科學家們已經懷疑黑洞噴射是由吸積率驅動的，但是他們從來沒有能夠從單一事件中觀察到這種關係。只有在這些特殊的情況下才能做到這一點，黑洞只是坐在那裡什麼也不做，然後突然出現了一顆恆星，給它提供了很多能量，從本質上來說，這是研究這些東西的絕佳機會。Pasham和他的合作者，約翰霍普金斯大學的Sjoert van Velzen在本周的《天體物理學雜誌》上發表了他們的研究結果。

黑洞演化理論模型的基礎上結合觀測遙遠的星系，科學家們一般理解為潮汐中斷期間所發生的事件：恆星經過接近一個黑洞，黑洞的引力產生的潮汐力星，類似於月球的煽起地球上的潮汐。然而黑洞的引力是如此之大，以至於它們可以破壞恆星，像煎餅一樣拉伸和壓平，最終將恆星分解成碎片。之後一陣恆星碎片雨點落下，並被吸進一個吸積盤——這是一種宇宙物質的漩渦，最終進入並滋養黑洞。這整個過程會產生巨大的能量爆發，跨越電磁波譜。科學家們在光學、紫外線和x射線波段觀察到這些爆發，並且偶爾也出現在無線電頻譜的末端。x射線輻射的來源被認為是吸積盤最深處的一種超熱物質，它即將落入黑洞。光學和紫外線的排放很可能是由在圓盤上的物質產生的，最終會被拉進黑洞。

然而在一次潮汐中斷的情況下，引起無線電輻射的原因一直是爭論的焦點。無線電波來自於在磁場中運動的高能電子，這是一個成熟的過程。爭論的焦點是，這些真正的高能電子是從哪裡來的？一些科學家提出，在恆星爆炸後的瞬間，衝擊波會向外傳播，並使周圍介質中的等離子粒子充滿能量，而這一過程反過來會發出無線電波。在這種情況下，發射無線電波的模式與從恆星殘骸中產生的x射線的模式截然不同，發現基本上挑戰了這種模式。Pasham和van Velzen查閱了2014年由全球望遠鏡網路ASASSN(全天空自動化測量超新星)發現的潮汐中斷信號所記錄的數據。在最初的發現之後不久，多個電磁望遠鏡聚焦於這個事件，天文學家創造了ASASSN-14li。Pasham和van Velzen在180天的時間裡從三架望遠鏡中獲得了無線電數據。研究人員查閱了彙編的無線電數據，發現與此前在同一事件中觀測到的x射線數據有明顯的相似之處。

當他們將無線電數據與x射線數據相匹配，並將兩者的相似度進行比較時，他們發現數據集最相似，相似度為90%，在13天內變化。也就是說在13天後的無線電波段中，x射線譜出現了同樣的波動。耦合的唯一方式是，如果有一個物理過程，那就是將x射線產生的吸積流與輻射產生區域連接起來。從同樣的數據中，Pasham和van Velzen計算出x射線發射區域的大小約為太陽的25倍，而輻射區域大約是太陽半徑的40萬倍。這不是巧合，很明顯這個小區域產生的x射線和這個產生無線電波的大區域之間存在因果聯繫。研究小組提出，無線電波是由一股高能粒子噴射產生的，在黑洞開始吸收爆炸恆星的物質後不久，這些高能粒子就開始從黑洞中流出。因為射流最先形成的射流區域密度極高(密集的電子)，大部分的無線電波立即被其他電子吸收。

只有當電子在射流的下游移動時，無線電波才能夠逃脫，從而產生研究人員最終探測到的信號。因此噴射流強度必須由吸積率控制，或者黑洞消耗x射線的恆星碎片的速度。最終研究結果可能會幫助科學家更好地描述射流行為的物理特性——這是模擬星系演化的基本要素。人們認為星系是通過產生新的恆星來生長的，這一過程需要非常冷的溫度。當黑洞噴射出一束粒子時，它實際上會加熱周圍的星系，暫時停止恆星的生產。該團隊對射流生產和黑洞吸積的新見解可能有助於簡化星系演化的模型。如果黑洞的攝取率與它釋放能量的速率成正比，如果這對每個黑洞都有效，這是一個簡單的方法，可以在模擬星系演化過程中使用，因此這暗示了更大的圖景。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：天體物理期刊

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：麻省理工學院

編譯：中子星

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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