黑洞與恒星的撕扯-意大利面化

超大質(zhì)量黑洞的神秘打嗝事件可能是由鄰近黑洞的“重?fù)簟币鸬?/p>

“這是一頭不同的野獸……我們原以為對黑洞的了解已經(jīng)很多，但這讓我們看到，面對黑洞其實還有很多事情可以做。”

第二個黑洞穿過其超大質(zhì)量伴星的吸積盤，引起宇宙“打嗝”。（來源：約瑟-路易斯 奧利瓦雷斯，麻省理工學(xué)院）

一個打嗝的超大質(zhì)量黑洞讓天文學(xué)家對一種全新的黑洞行為產(chǎn)生了注意。

2020年，一直安靜的黑洞正位于距離地球約8億光年、質(zhì)量相當(dāng)于5000萬個太陽的星系中心，突然打了個嗝，使周圍的物質(zhì)亮度增加了1000倍。

一個研究團(tuán)隊認(rèn)為，這種周期性的爆發(fā)由一個較小的黑洞撞擊超大質(zhì)量黑洞周圍的氣體和塵埃盤(或“吸積盤”)引起的，導(dǎo)致它反復(fù)“打嗝”溢出物質(zhì)。

這一發(fā)現(xiàn)從黑洞吸積盤如何運(yùn)作向傳統(tǒng)發(fā)起了挑戰(zhàn)。傳習(xí)慣將它們描述為圍繞中心黑洞旋轉(zhuǎn)的均勻的氣體和塵埃盤。新發(fā)現(xiàn)表明，在一些吸積盤含有外來成分，比如恒星和更小的次級黑洞。

“這是一頭不同的野獸。它不同于我們已知的關(guān)于這些系統(tǒng)的任何知識。研究小組成員、麻省理工學(xué)院卡夫利天體物理與空間研究所的科學(xué)家德拉吉﹒

DJ ﹒帕沙姆在一份聲明中說:“我們認(rèn)為以黑洞的了解很多，但又告訴我們，對黑洞還有很多事情可以做?！迸辽衬费a(bǔ)充說:“我們會有更多系統(tǒng)，只需要不斷收集數(shù)據(jù)找到它們。”

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計算機(jī)模擬了一個中等質(zhì)量黑洞繞著一個超大質(zhì)量黑洞運(yùn)行，并驅(qū)動周期性的氣體羽流，這可以解釋新的“打嗝”觀測結(jié)果。(圖片來源：佩特拉﹒蘇科娃，中國科學(xué)院天文研究所)

尋找一個“不同的野獸”黑洞系統(tǒng)

研究小組最初是在全天超新星自動巡天(ASAS-SN)的數(shù)據(jù)檢查中得知這個打嗝黑洞的消息的。ASAS-SN是一個由分布在全球的20個望遠(yuǎn)鏡組成的星際網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)在宇宙上空每天對地球掃描一次。

當(dāng)ASAS-SN在2020年12月自動掃描執(zhí)行天空任務(wù)時，望遠(yuǎn)鏡在一片安靜的天空中看到了一束光，其中包含一個位于約8億光年之外的星系。帕沙姆利用中子星內(nèi)置探器(NICER)追蹤了這次爆發(fā)，這是宇航局在國際空間站(ISS)上的一架x射線望遠(yuǎn)鏡。

帕沙姆極少使用國際空間站的望遠(yuǎn)鏡，它是用來尋找宇宙中中子星、黑洞和其他極端引力現(xiàn)象中的x射線爆發(fā)的，不但行動迅速，還要運(yùn)氣好。帕沙姆說:“要么使用它，要么失去它，這是我最幸運(yùn)的一次突破?！毖芯咳藛T發(fā)現(xiàn)，這個星系在持續(xù)爆發(fā)，持續(xù)了大約四個月。在NICER對這次耀斑的觀測中，帕沙姆發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的規(guī)律，即x射線和能量爆發(fā)每8.5天發(fā)生一次微妙的下降。該信號幾乎類似于系外行星穿過或“凌日”其恒星表面時引起的光線下降，短暫地阻擋了恒星的光線。帕沙姆補(bǔ)充說:“我曾對此感到疑惑，這種模式并非我們了解的那樣?！?/p>

一位插畫家為國際空間站上的NICER任務(wù)繪制的插圖。(圖片來源：宇航局戈達(dá)德太空飛行中心)

當(dāng)帕沙姆發(fā)現(xiàn)，星系中心的超大質(zhì)量黑洞可能被一個中等質(zhì)量黑洞環(huán)繞時，他的困惑得到了緩解。中等質(zhì)量黑洞的質(zhì)量在太陽的100到1萬倍之間。

這個較小的黑洞可能以這樣一種方式繞著較大的黑洞旋轉(zhuǎn)，即在超大質(zhì)量黑洞的吸積盤上俯沖進(jìn)出。當(dāng)它穿過這些氣體和塵埃時，較小的黑洞會噴出一縷氣體。每次俯沖都會產(chǎn)生另一個羽流，即這些“打嗝”的周期性模式。

如果這些羽流指向地球，它們可能會在系統(tǒng)的能量突然下降時被觀察到，吸積盤發(fā)出的光會周期性地被遮擋，就像星光被系外行星遮擋一樣。

帕沙姆補(bǔ)充說:“我對這個理論感到非常振奮，我給他們發(fā)郵件并寫道，‘我們觀察到的也是你們理論早已預(yù)測的’?！?/p>

這促使最初研究的作者創(chuàng)建了包含NICER數(shù)據(jù)的模型。這證實了觀測到的8.5天信號很可能是一個小黑洞穿過它的超大質(zhì)量黑洞同伴的吸積盤的結(jié)果。

是什么導(dǎo)致了超大質(zhì)量黑洞的打嗝?意大利面吃多了

這不能解釋超大質(zhì)量黑洞突然爆發(fā)的現(xiàn)象，只能解釋周期性地變暗的規(guī)律。研究小組認(rèn)為，這個黑洞的出現(xiàn)，是因為最近有一顆恒星過于靠近它的外邊界或“事件視界”。

超大質(zhì)量黑洞的巨大引力影響會在接近的恒星中產(chǎn)生巨大的潮汐力，在垂直方向上拉伸它們，在水平方向上擠壓它們，這一過程被稱為“意大利面化”。這將導(dǎo)致恒星在潮汐破壞事件中被撕碎，造成強(qiáng)烈的光爆發(fā)和物質(zhì)的突然涌入，吸積盤變亮。

一幅 插圖(圖片來源:宇航局戈達(dá)德太空飛行中心/克里斯·史密斯大學(xué)空間研究協(xié)會/杰斯特拉)

在新觀察到的星系中，增加的物質(zhì)為超大質(zhì)量黑洞四個月的持續(xù)爆發(fā)提供了能量，也意味著當(dāng)較小的次級黑洞穿過這些物質(zhì)時，它會噴出比平時更大的氣體羽流。

帕沙姆說:“鑒于物體從不同角度進(jìn)入和穿過圓盤的跡象，挑戰(zhàn)了黑洞周圍完整氣體盤的傳統(tǒng)觀點?！薄拔覀冋J(rèn)為存在大量這樣的星系?！?/p>

——M87星系的巨大黑洞以接近光速的速度噴射著噴流

——“吸血鬼黑洞”是一個“宇宙粒子加速器”，它可能會解開一個長期存在的天文學(xué)之謎。

——有史以來第一個被人類拍攝到黑洞有扭曲的磁場，科學(xué)家們非常興奮。理查德·薩克斯頓是馬德里空間天文中心的x射線天文學(xué)家，他沒有參與這項研究。他說，這些新發(fā)現(xiàn)，以及用于獲取這些發(fā)現(xiàn)的技術(shù)，將極大幫助天文學(xué)家更好地了解超大質(zhì)量黑洞及其所處的奇特環(huán)境。薩克斯頓在一份聲明中說:“這一結(jié)果表明，非常接近的超大質(zhì)量黑洞雙子星在星系核中可能很常見，這對未來的引力波探測器來說是一個可喜的進(jìn)展。”“這是一個典型的例子，解釋了如何利用一顆被破壞的恒星的碎片來照亮星系核的內(nèi)部，否則它就會持續(xù)黑暗。這類似于使用熒光染料來發(fā)現(xiàn)管道中的泄漏?！痹搱F(tuán)隊的研究發(fā)表在周三(3月27日)的《科學(xué)前沿》雜志上。

BY:Robert Lea

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