隱蔽的獵殺——潮汐瓦解事件

在廣袤的宇宙空間里，有一顆太陽(yáng)質(zhì)量大小的恒星在漫無(wú)目的地逡巡，周?chē)且黄岷谒坪醪](méi)有什么異常。然而，很多年來(lái)它卻一直能感受到一股強(qiáng)大的外部引力。突然，這股引力莫名地變強(qiáng)并開(kāi)始撕扯恒星，很快這顆恒星已無(wú)法繼續(xù)通過(guò)自身引力保持完整，一側(cè)的身體首先被撕碎；被撕碎的恒星碎片形成長(zhǎng)長(zhǎng)的細(xì)流，向黑暗的盡頭奔去，并在盡頭處亮起蒙蒙的光輝，一場(chǎng)星際“獵殺”拉開(kāi)了帷幕，舞臺(tái)中央是一個(gè)百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。

黑洞撕裂恒星過(guò)程(藝術(shù)圖) | 來(lái)源：ESO/M. Kornmesser

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以上場(chǎng)景基于2019年觀測(cè)到的真實(shí)事件——“AT2019qiz”，距離地球2.15億光年之外一顆恒星被超大質(zhì)量黑洞撕裂吸積的全過(guò)程。這是目前距離我們最近的潮汐瓦解事件（TidalDisruptionEvent，TDE），也是迄今整個(gè)過(guò)程被了解得最為清晰的TDE之一。

什么是TDE？

現(xiàn)在普遍認(rèn)為，所有星系的中心都有黑洞。但50年前，人們并不清楚黑洞是否存在于所有星系中心。由于黑洞的引力極強(qiáng)，黑洞視界面（對(duì)靜止黑洞來(lái)說(shuō)即施瓦西半徑）：

內(nèi)所有物質(zhì)包括光都無(wú)法逃脫黑洞的引力束縛，所以，我們是無(wú)法直接看到黑洞的。100萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞的施瓦西半徑約為300萬(wàn)公里。

也正是由于極強(qiáng)引力，可以通過(guò)探測(cè)黑洞對(duì)周?chē)镔|(zhì)環(huán)境的影響來(lái)間接證明黑洞的存在。英國(guó)天文學(xué)家Martin Rees在1988年提出了用TDE檢測(cè)的辦法。如果恒星運(yùn)動(dòng)到黑洞潮汐半徑處：

對(duì)一個(gè)與太陽(yáng)大小、質(zhì)量都相當(dāng)?shù)暮阈呛鸵粋€(gè)100萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，這個(gè)值約為7000萬(wàn)公里。恒星受到的潮汐力大于自身的引力，被撕裂瓦解成恒星碎片，發(fā)生TDE。瓦解后約一半恒星碎片圍繞黑洞形成吸積盤(pán)，產(chǎn)生持續(xù)數(shù)月甚至數(shù)年的X射線輻射耀發(fā)現(xiàn)象，從而探知星系中心黑洞的存在。

說(shuō)到這里大家可能會(huì)有疑問(wèn)，在《星際穿越》電影里，適合人類(lèi)居住的候選行星中，有顆位于卡岡圖雅黑洞視界面附近，為什么它沒(méi)有被撕裂呢？首先，行星的半徑相比恒星而言要小的多，所以黑洞撕裂行星的潮汐半徑比較小。其次，黑洞視界面隨黑洞質(zhì)量的增長(zhǎng)比潮汐半徑要快，當(dāng)黑洞質(zhì)量大到一定程度的時(shí)候，視界面會(huì)大于潮汐半徑。卡岡圖雅黑洞約1億倍太陽(yáng)質(zhì)量，此時(shí)的黑洞視界面大于撕裂行星的潮汐半徑，所以我們看不到行星被撕碎的現(xiàn)象?；蛟S在某個(gè)時(shí)刻，卡岡圖雅會(huì)悄無(wú)聲息地將行星“一口”吞沒(méi)。

由上可知，TDE的發(fā)生，對(duì)黑洞質(zhì)量，被撕裂對(duì)象都有著嚴(yán)格要求。對(duì)于太陽(yáng)質(zhì)量大小的恒星，能夠產(chǎn)生TDE的靜止黑洞質(zhì)量一般為100萬(wàn)到1億倍太陽(yáng)質(zhì)量。目前觀測(cè)到的TDE發(fā)生概率，與理論預(yù)測(cè)一致：約1萬(wàn)年到10萬(wàn)年，一個(gè)星系會(huì)發(fā)生一次TDE。

TDE的多波段觀測(cè)

TDE的理論很快被證實(shí)，1990年ROSAT衛(wèi)星在星系NGC 5905中第一次觀測(cè)到TDE現(xiàn)象。之后各個(gè)波段的空間和地面望遠(yuǎn)鏡也都加入到發(fā)現(xiàn)TDE的戰(zhàn)隊(duì)。

〇X射線波段可以判斷黑洞周?chē)欠裼形e盤(pán)生成。Chandra、XMM-Newton空間X射線望遠(yuǎn)鏡、Swift衛(wèi)星都是探測(cè)TDE利器。特別是Swift，發(fā)現(xiàn)了很可能是相互繞轉(zhuǎn)雙黑洞產(chǎn)生的TDE。

〇紫外和光學(xué)波段也會(huì)有強(qiáng)烈的耀發(fā)，其中的譜線更有助于探測(cè)TDE是否有外流產(chǎn)生。紫外波段的星系演化探測(cè)器GALEX (The Galaxy Evolution Explorer)在2006年發(fā)現(xiàn)第一例紫外的TDE (GALEX-D3-13)。地面的斯隆巡天SDSS(Sloan Digital Sky Survey)通過(guò)光學(xué)波段突然出現(xiàn)的譜線，在2008年發(fā)現(xiàn)首例光學(xué)TDE（SDSS J0992）。

〇紅外波段可以揭示黑洞周?chē)h(huán)境的介質(zhì)如何受TDE的影響。廣域紅外探測(cè)器WISE（Wide-Field Infrared Survey Explorer）于2016年第一次探測(cè)到了TDE (ASASSN-14li)的紅外信號(hào)。

〇射電波段則可以直接證實(shí)外流的存在。2011年增容甚大陣EVLA (Expanded Very Large Array)通過(guò)5.8 GHz的射電觀測(cè)證認(rèn)了第一例有噴流的TDE（Swift J1644+57）。

還原AT2019qiz

對(duì)AT2019qiz的細(xì)節(jié)了解，離不開(kāi)從地面到空間多個(gè)波段的望遠(yuǎn)鏡對(duì)撕裂全過(guò)程的光度變化和光譜的聯(lián)合觀測(cè)。此次的參與設(shè)備有：茲維基瞬變?cè)囱蔡靂TF、小行星陸地撞擊持續(xù)報(bào)警系統(tǒng)ATLAS-0.5m、Las Cumbres天文臺(tái)南北望遠(yuǎn)鏡LCO-2m、新技術(shù)望遠(yuǎn)鏡NTT-3.6m、多鏡面望遠(yuǎn)鏡MMT-6.5m、威廉·赫歇爾望遠(yuǎn)鏡WHT-4.2m、利物浦望遠(yuǎn)鏡LT-2m、凱克望遠(yuǎn)鏡Keck-10m等光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和雨燕天文臺(tái)Swift衛(wèi)星（X射線）、澳大利亞密集陣列望遠(yuǎn)鏡ATCA（射電）等。

假設(shè)人眼可以直接看到“AT2019qiz”, 大概只會(huì)發(fā)現(xiàn)“變亮了”，“嗯，又變暗了”，因?yàn)槿祟?lèi)眼睛的3種感色細(xì)胞峰值敏感區(qū)域僅在紅、綠、藍(lán)三個(gè)狹窄波段（如圖），獲得的信息有限。如果能像螳螂蝦那樣擁有16種感色細(xì)胞，也許就可以直接肉眼看到TDE的更多細(xì)節(jié)，比如突然出現(xiàn)的外流等等。其實(shí)，在3000-8000?的光學(xué)波段范圍內(nèi)有很多光譜特征，依靠光譜儀監(jiān)測(cè)可以細(xì)致地根據(jù)光度變化和譜線特征來(lái)推測(cè)出恒星被撕裂后黑洞周?chē)淖兓?/p>

不同設(shè)備的多時(shí)段光學(xué)光譜（d表示天）[2]

恒星被撕裂后，恒星碎片逐漸朝黑洞流過(guò)去，在其周?chē)纬晌e盤(pán)。物質(zhì)在盤(pán)上旋轉(zhuǎn)摩擦，釋放引力能。盤(pán)的溫度不斷升高，發(fā)出強(qiáng)烈的X射線，加熱黑洞周?chē)鷼怏w，光球增亮，以2000公里每秒的速度膨脹。同時(shí)，兩股迅猛的外流從盤(pán)的兩極沖出，速度高達(dá)每秒3000到10000公里。

熱光度、光球溫度和光球半徑的變化（0為峰值時(shí)刻）[2]

黑洞周?chē)兊迷絹?lái)越亮，一個(gè)月后達(dá)到了頂峰，亮度足有太陽(yáng)的100億倍！光球半徑足有50個(gè)日地距離！之后，光度終于開(kāi)始緩慢下降。光球先保持大小不變，溫度開(kāi)始下降，直到大約15000 K，而外流也逐漸消失。接著，光球開(kāi)始收縮。之后的兩個(gè)月里，黑洞周?chē)倪@些活動(dòng)才逐漸消失，恢復(fù)寧?kù)o。至此，黑洞完成了此次吞噬恒星的獵殺。

事件歷經(jīng)6個(gè)月的時(shí)間，光度變化接近1000倍，在目前的TDE觀測(cè)中，屬于快速演化系列。而原先的那顆恒星，大約只有四分之一的物質(zhì)能夠逃離，冀望能當(dāng)一個(gè)安安靜靜的小矮星。

TDE觀測(cè)的未來(lái)展望

目前的TDE觀測(cè)呈現(xiàn)出豐富的表現(xiàn)形式：在光變持續(xù)時(shí)間上，TDE的觀測(cè)光變時(shí)標(biāo)在年的量級(jí)。但此次的“AT2019qiz"在光度上升1個(gè)月到達(dá)峰值后，5個(gè)月時(shí)間內(nèi)光度便下降到原來(lái)水平，是快速演化的TDE，僅次于下降最快的iPTF16fnl。而2011年的一篇工作中，發(fā)現(xiàn)TDE SDSS J1500有著11年的長(zhǎng)期光變。在多波段觀測(cè)方面，光學(xué)波段發(fā)現(xiàn)的源，X射線波段的輻射普遍比較暗,但也有觀測(cè)到3例X射線輻射較亮的光學(xué)發(fā)現(xiàn)源。

關(guān)于TDE統(tǒng)一理論模型的構(gòu)建，仍需要未來(lái)各個(gè)波段聯(lián)合觀測(cè)。隨著觀測(cè)樣本的增加，我們將慢慢見(jiàn)識(shí)到超大質(zhì)量黑洞這個(gè)隱形獵手的各種手段，或快速撕碎吞咽一顆恒星，或慢慢啜食一朵飄過(guò)的云。

參考資料：

[1] Saxton, R., Komossa, S., Auchettl, K., and Jonker, P. G., “X-Ray Properties of TDEs”, Space Science Reviews, vol. 216, no. 5, 2020.

[2] Nicholl, M., “An outflow powers the optical rise of the nearby, fast-evolving tidal disruption event AT2019qiz”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 499, no. 1, pp. 482–504, 2020.

作者簡(jiǎn)介

韓園珍，中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)碩士研究生，研究方向：紫外與X射線光譜研究。

主編：毛瑞青

輪值主編：張水乃

編輯：王科超

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