黑洞將恒星變成“意大利面”——宇宙犯罪現場的揭示
天文學家成功還原了一顆恒星的最終命運，這顆恒星被巨大黑洞摧毀并部分吞噬，仿佛變成了一根細長的“意大利面”。
一顆恒星在巨大黑洞的巨大引力影響下被撕裂的圖片。
（圖片來源：NASA/CXC/M. Weiss）
一項宇宙觀測已揭示了黑洞的“食物攝取”方式的詳細信息。在最新的研究中，天文學家們考察了一顆超大質量黑洞對一顆恒星的摧毀，揭示了這些宇宙巨獸如何攝取靠近它們的物質。研究結果表明，相當大量的這些物質并非被黑洞吞噬，而是被噴射離開。
這起血腥的事件發生在距離地球215光年的地方，首次被觀測到是在2019年10月，標志著一顆類似太陽的恒星被質量超過它一百萬倍的黑洞摧毀后的后續發展。這是迄今為止，天文學家觀測到的最接近的一次恒星“意大利面化”事件，這是由巨大黑洞引發的潮汐力所導致的。
這一所謂的潮汐撕裂事件發生在仙女座星座內的一個螺旋星系中。這是第一個在可見光中足夠明亮的事件，使得天文學家能夠詳細研究恒星被撕裂后物質的行為。
通過觀測事件中光線的偏振，加州大學伯克利分校的研究人員得出結論，其中大部分恒星物質以高達每小時2200萬英里（約3500萬千米）的速度從黑洞周圍被噴射出去。這一噴射事件被命名為AT2019qiz，產生了一團氣體云。新的偏振光觀測結果顯示，這團氣體云呈球對稱形狀。該氣體云的寬度相當于地球到太陽平均距離的200倍，意味著其半徑比我們行星軌道的半徑大100倍，其外緣距離中心黑洞約為9.3億英里（約15億千米）。
加州大學伯克利分校的天文學家呂文斌是描述這一觀測結果的新論文的合著者之一。他在一份聲明中表示：“超大質量黑洞能夠通過其巨大的潮汐力撕裂恒星，這是宇宙中最不可思議的事情之一。”他還指出，“這些恒星潮汐撕裂事件是天文學家了解星系中心超大質量黑洞存在以及測量其性質的極少數途徑之一。然而，由于數值模擬這些事件的計算成本極高，天文學家對潮汐撕裂后的復雜過程仍然了解不足。”
這一新的發現或許可以解釋為什么天文學家在其他潮汐撕裂事件中沒有觀測到高能輻射，比如X射線。這些輻射是由于來自恒星的物質被拖入黑洞周圍形成薄盤，這些物質在盤中受熱，產生高能輻射，同時也在物質進入黑洞時產生。然而，這些輻射被由強大氣流噴射出的氣體云所遮蔽。
當一顆恒星誤入黑洞附近的極近軌道時，發生了一次潮汐撕裂事件，模擬結果顯示被摧毀的恒星物質環繞著這個宇宙巨獸，最終落入黑洞表面。（圖片來源：NRAO/AUI/NSF）
"這一觀測結果排除了一類在理論上提出的解決方案，同時對于黑洞周圍的氣體行為提供了更強有力的限制" ，加州大學伯克利分校的天文學研究生、本文的主要作者Kishore Patra在聲明中表示。“我們已經看到了其他風從這些事件中噴射出來的證據，我認為這項偏振研究明確了這些證據，因為沒有足夠的風，是不可能得到球對稱的幾何形狀的。”
"這里的有趣之處在于，向黑洞螺旋運動的恒星物質中，相當大一部分最終并未墜入黑洞，而是被噴射遠離黑洞，" Patra補充說。
這一結果似乎與許多天文學家提出的理論相矛盾，即當恒星被黑洞摧毀時，會形成一個高度不對稱的吸積盤。這樣的吸積盤會表現出高度極化的光線——而這在這次的潮汐撕裂事件中并未觀察到。
2019年11月的第二組觀測結果顯示，這次事件的光線只有輕微的極化。該團隊表示，這一發現表明，被噴射出的氣體云已經足夠稀薄，以揭示黑洞周圍的不對稱氣體結構。
"吸積盤本身足夠熱以在X射線范圍內發射大部分光線，但這些光線必須穿過這個云層，在這個過程中發生多次散射、吸收和再發射，然后才能逃離這個云層，" Patra說道。“在每個這樣的過程中，光線都會失去一些光子能量，最終降至紫外線和光學光譜的能量水平。最后一次散射決定了光子的極化狀態。因此，通過測量極化，我們可以推斷出最后一次散射發生的表面幾何形狀。”
Petra補充說，團隊觀察到的這顆恒星的“臨終場景”可能不適用于那些“特殊”的潮汐撕裂事件，其中物質以接近光速從黑洞的兩極噴射出來。要回答這個問題，需要進一步進行潮汐撕裂事件的極化研究。
"極化研究非常具有挑戰性，全球范圍內真正熟練掌握這項技術的人非常有限，" Petra說道。“因此，對于潮汐撕裂事件來說，這是一片未知的領域。”
這兩組觀測都是使用加州圣何塞附近的Lick Observatory的3米（10英尺）Shane望遠鏡進行的。該望遠鏡配備了Kast分光儀，這是一種可以確定整個光譜范圍內光的極化狀態的儀器。
該團隊的論文將在《皇家天文學會月報》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）的九月號中發表。
BY:Robert Lea
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