首次目擊黑洞撕裂恆星時噴發的物質流

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原文：美國國家射電天文台

日期：2018年6月14日

翻譯：陸寅楓

校對：陳艷玲、汪榮鑫

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藝術想像圖。當恆星以過近的距離經過一個超大質量黑洞時，前者會被撕碎，而後者則噴發出一道物質噴流，天文學家將此概念稱為潮汐瓦解事件(tidal disruption event, TDE)。

Credit: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF

一顆恆星以過近的距離經過一個超大質量黑洞時會被強大的引力撕碎，而黑洞則噴發出一道高速的物質噴流。天文學家第一次親眼目睹了這樣一條物質噴流的形成與擴張。

科學家使用了包括甚長基線陣列(Very Long Baseline Array, VLBA)在內的射電與紅外望遠鏡對此次事件進行了跟蹤觀測，它發生在一對編號為Arp 299的正在相撞的星系中，距地球大約1.5億光年之遠。其中一個星系的中心是一個兩千萬倍太陽質量的黑洞，它撕裂了一個超過兩倍太陽質量的恆星，引發了一系列事件讓我們得以一窺這場充滿暴力的邂逅背後的細節。

儘管科學家們認為潮汐瓦解事件(TDE)應該是一個較普遍的現象，到目前為止卻只有極少數被探測到。理論學家認為被撕裂的恆星在黑洞周圍形成一個旋轉的物質盤，發出高強度的X射線和可見光，並以接近光速的速度噴發出一道垂直於物質盤的噴流。

「在此之前，我們從來沒有直接觀測到過這樣的噴流的形成與進化」，西班牙安達盧西亞天體物理中心的Miguel Perez-Torres說。

藝術想像圖。圖片顯示了Arp 299，一對正在相撞的星系。黑洞位於較下方的那個星系(Arp 299B)，而上方的與之相撞的便是Arp 299A。

Credit: NRAO/NSF; NASA, STScl

最初，天文學家於2005年1月30日使用位於西班牙加那利群島的威廉·赫歇爾望遠鏡觀測到了一道紅外線波段的明亮的爆發，爆發中心位於名為Arp 299的一對正在相撞的星系中的一個的核心。同年7月17日，甚長基線陣列在相同的位置接收到了另一個不同的射電訊號。「隨著時間的流逝，這場事件在紅外和無線電波段保持了不變的亮度，可是在可見光和X射線波段卻有顯著下降」，來自芬蘭圖爾庫大學的Seppo Mattila說，「最有可能的解釋是在星系中心附近厚厚的星際氣體和塵埃吸收了X射線和可見光，並以紅外光的形式重新輻射出來。」研究人員使用了位於加那利群島的北歐光學望遠鏡和NASA的斯皮策空間望遠鏡跟蹤觀測了該星系中心的紅外線放射。

接下來超過十年的時間中，研究人員使用甚長基線陣列，歐洲甚長基線干涉測量網路(EVN)，和其他射電望遠鏡對該事件進行了持續的觀測，結果顯示射電發射源只朝著一個方向擴張，就像噴流那樣。對擴張的測量表明噴流中的物質移動速度大約為光速的25%。

近十年的時間中，由當初的一個明亮的爆發逐漸演變為現在清晰可見的物質噴流。

Credit: Mattila, Perez-Torres, et al.; Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

這些觀測之所以動用這麼多射電望遠鏡，相互之間又隔著數千公里，為的就是達到必須的分辨能力，使獲得的圖片能呈現足夠的細節，這樣天文學家才能看到數億光年外的一道噴流的擴張。而科學家十年的耐心觀測終於有所回報——他們終於能親眼目睹這樣的一條噴流。絕大多數的星系中心都有著這樣的超大質量黑洞，數百萬到數億倍太陽質量不等。他們的密度是如此之高以至於他們周圍的引力強到連光都無法逃脫。當這些黑洞在活躍地從他們的周圍吸收物質時，這些物質會在黑洞附近形成吸積盤，並爆發出一道垂直於吸積盤的超高速物質噴流。這就是在射電星系和類星體中看到的現象。

「但絕大多數時候黑洞並沒有在吞噬周圍的任何東西，所以它們一直處於一個穩定的狀態「，Perez-Torres解釋道，「潮汐瓦解事件可以為我們提供一個特殊的機會來增進我們對這些天體周圍的物質噴流的形成與進化的理解。」

在廣袤的宇宙中這樣的事件可能比我們預想的要普通的多，所以研究它們可以幫助科學家理解數十億年前星系發展的環境。科學家們認為這場發現本身是一個大大的驚喜。最初發現那個紅外線波段的爆發時，科學家正在一個做另一個毫不相干的項目——尋找正在相撞的星系中的超新星爆發。科學家當時已經在Arp 299中探測到了好些超新星爆發，因此Arp 299也被稱為「超新星工廠」。

不出意料地，起初這個事件也被認為是一場超新星爆發。直到2011年，最初發現的6年過後，射電源似乎呈現出了長條狀。接下來的監視表明擴張正在繼續，這也告訴了科學家他們正在看的並不是又一個超新星爆發，而是一道物質噴流。Mattila和Perez-Torres隨後便與來自世界各地26個機構的39名科學家組成了一個團隊來對該事件進行後續研究。他們最終的研究成果發表於6月14的學術期刊《科學》上。

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圖片來源：NASA

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