被黑洞吞噬的恆星，究竟經歷了怎樣的“死亡”過程？

大質量黑洞潮汐瓦解恆星事件（圖源：NASA/CXC/M.Weiss [1]）

撰文 | 林達成（新罕布什爾大學）

編輯 | 韓越揚 金莊維

黑洞擁有摧枯拉朽的超強引力，它的魔爪連光都無法掙脫。那麼它是否會肆無忌憚地吞噬周邊的一切呢？如果某個東西不幸太靠近黑洞又會發生什麼事情？ 本期《賽先生天文》帶你深入瞭解被黑洞吞噬的悲劇——大質量黑洞潮汐瓦解恆星事件。

神祕的黑洞

黑洞的密度極大，所有質量被限制在極小的視界範圍內[2]，就連光都逃不出來。這就導致黑洞附近引力極其強大。如果要把地球變成黑洞，就必須把它壓縮到一個硬幣大小，重力也將比我們現在感受到的強約0.5億億倍。

正是因爲連光線都無法逃脫，所以黑洞本身並不發光，我們很難像探測其他天體那樣直接探測到它們。

那科學家們如何來觀察和研究黑洞呢？在它“吃東西”的時候去探測它！黑洞在“進食”的過程中，並不是將周圍的物質一口吞下。那些物質會盤旋着形成所謂的吸積盤，並被黑洞強大的引力場加熱到極高溫度（極強的勢能轉換成熱能），發射出很強的X射線，從而被空間探測器探測到。

黑洞雖然看起來很神祕，甚至是不可思議，但是對天文學家來說，它們的存在卻是毋庸置疑的。在黑洞王國裏，我們所熟知的，有矮人和巨人兩個大家族。矮人家族指恆星級黑洞，質量爲太陽的幾倍到幾十倍。這個家族的成員通常能在雙星系統——包括一個黑洞和一顆繞着它轉的恆星——中被探測到，因爲黑洞會吸積着恆星表面的氣體而發光（這種系統中恆星離黑洞太遠不會被整體吃掉）。

而巨人家族指的是那些超大質量黑洞，它們的質量可以達到太陽的一百萬倍甚至十億倍以上，普遍存在於星系核中心。這些“巨人”中的一小部分，周邊有着豐富的氣體可吸積，天文學家稱他們爲活動星系核。活動星系核是太空裏主要的X射線源，它的輻射通常很穩定，估計可維持上萬年。

悲壯的死亡

許多人都有這樣的困惑：未來某一天，我們會不會也被黑洞吃掉？雖然理論上很難完全排除，但離我們較近的都是小型黑洞，最近的也在3000光年以外，所以我們被黑洞吞噬的可能性應該極小。但是類似的天禍在浩瀚的宇宙裏時有發生，而且已經被多次探測到，這便是超級質量黑洞潮汐瓦解恆星事件（Tidal Disruption Event，簡稱TDE）。

星系核裏的黑洞非常大，而周邊的恆星又太過密集，因此難免有些會被鄰居碰撞一下而“誤入歧途”——不幸太靠近超級質量黑洞而被吃掉。

圖1. 大質量黑洞潮汐瓦解恆星的過程。（圖源：NASA/Goddard Space Flight Center/Swift [3]）

那麼這種悲劇會不會悄無聲息的進行呢？如果黑洞質量過大，比一億個太陽質量還要大的話，這是有可能的。恆星會“來不及反應”，連形狀都來不及改變就掉進黑洞的視界裏。

但星系核裏的超大質量黑洞，一般在一百萬到一億倍太陽質量之間。如果恆星遇到這樣的黑洞，那將是另一番景象了。在掉進黑洞視界之前，恆星就會被黑洞強大的潮汐力“五馬分屍”。一部分恆星物質會被黑洞“吃掉”，迅速產生以X射線爲主的輻射大爆發，可持續幾個月到幾年。這被形象地稱爲“恆星最後的哀嚎”（圖1）。至於那些幸運逃脫的物質，則會彌散於太空。

那麼這種將恆星“撕裂”的潮汐力源自何方？由於黑洞附近的引力場空間變化很大，恆星靠近黑洞的一端受到的引力，要比遠離黑洞的另一端大得多。當這種引力差，也就是潮汐力，比恆星自身的引力還要強大時，恆星就會“粉身碎骨”。只有黑洞質量不是太大時，這種撕裂纔會發生在黑洞視界外而被觀測到。

對於一個位於星系中心的超大質量黑洞來說，潮汐瓦解事件並不常見，大約一萬年才發生一次。但是現代這些靈敏的成像探測器，往往每次觀測都能同時監視很多黑洞，所以統計上講，我們還是能時不時地探測到來自這個或者那個超大質量黑洞的潮汐瓦解事件。

研究這些事件具有很多重要物理意義。首先大部分超大質量黑洞是沉寂的，潮汐瓦解事件幾乎是尋找並研究它們的唯一辦法。還有這類事件是研究大質量黑洞在物質吸積率大幅度變化下吸積過程如何演化的理想實驗室，是尋找中等質量黑洞和雙超大質量黑洞系統的獨特辦法。

難得的有趣發現

潮汐瓦解事件的理論形成於上世紀七八十年代，其中最著名的是劍橋大學的馬丁?里斯（Martin J. Rees）教授1988年發表於自然雜誌上的文章[4]。這篇文章對潮汐瓦解事件的形成、特徵、發生頻率等給出了比較全面的描述和預測。

早期對潮汐瓦解事件的觀測始於上世紀九十年代。當時，由美國、德國、英國一起研製的太空望遠鏡ROSAT衛星，在全天巡天觀測中，發現了四個潮汐瓦解事件的X射線候選源。這些源的峯值亮度極高，擁有超軟的X射線光譜（大部分光子能量低於1keV），而且是亮度變化幅度極大的瞬變源，寄主星系核也無長期活躍跡象（排除了活動星系核的可能）。這些特徵都跟潮汐瓦解事件理論的預測大體吻合。

雖然探測到的數量不多，但是潮汐瓦解事件的研究在最近備受關注。這主要是因爲時不時會有一些意想不到但又非常有趣的發現。宇宙有太多的可能性，給人以無限的遐想空間：大質量黑洞可以是高速旋轉的，可以是不在星系核中心的，可以是互相旋轉的雙黑洞，等等；而被撕裂的也可以是各種各樣的恆星，甚至白矮星。很多有趣天體現象也已經在潮汐瓦解事件裏被觀測到：相對論噴流，噴流與黑洞周邊氣體相互作用，電離氣體流等等。

下面，我們來介紹四個十分有趣的潮汐瓦解事件（後兩個由筆者發現）。透過它們，你可以瞭解到潮汐瓦解事件的一些扣人心絃的時刻。

意外的邂逅——Sw 1644+57

Sw 1644+57，可以說是最激動人心，也最意外的發現了。

2011年3月28日，Swift伽馬射線探測器意外探測到一個人類有史以來觀測到的最壯觀的伽馬射線爆發，持續時間遠比正常的伽馬射線暴（來自恆星坍塌或雙緻密天體合併）長。它迅速受到全世界各大望遠鏡的關注。哈勃太空望遠鏡（可見光）、錢德拉塞卡衛星（X射線），甚大天線陣（射電）聯合觀測很快發現，這個爆發來源於距離我們38億光年的一個星系的核中心，應該跟超大質量黑洞有關。

多篇相關論文幾乎同時發表，其中有兩篇發表在《自然》雜誌[5,6]，還有兩篇發表在《科學》雜誌。研究認爲，這個突發性的大爆發源於一個非常特殊的潮汐瓦解事件：有相對論噴流（帶電物質沿黑洞旋轉軸呈束狀向外噴射，且速度接近光速）形成，並且噴流方向剛好指向地球（圖1）。

發生這種情況的概率只有不到1%，而且此前發現的潮汐瓦解事件都沒有相對論噴流的跡象。而這個事件讓人類第一次觀測到超大質量黑洞吸積時產生的相對論噴流，因此意義十分重大，引起了全世界的廣泛關注。

空歡喜一場——神祕氣團逃脫“魔爪”

有確切的證據表明，銀河系中心有個超大質量黑洞，叫Sgr A*。但是其周邊氣體很少，因此吸積率極低，光輻射極弱。作爲離我們最近的超大質量黑洞，若能發生一次潮汐瓦解事件，那將是我們“在家門口零距離”觀測超大質量黑洞“吃大餐”的絕佳機會。但是由於潮汐瓦解事件大約一萬年纔可能出現一次，我們想要在有生之年觀測到，可需要不少運氣。

因此，當一個神祕的氣團在2011年被發現正駛向Sgr A*時（圖2）[7]，天文界轟動了。據推算，氣團會在2013年底距離Sgr A*最近，屆時就有可能被黑洞撕開變成佳餚。因此各大天文望遠鏡拭目以待，準備捕捉這一“萬年一遇”的盛宴。

很遺憾，2013年早已過去，一切還是那麼平靜，氣團似乎完好無損的逃過了Sgr A*的“魔爪”。科學家提出了種種說法，其中一種合理的解釋是氣團裏含有比較緻密的核，使得氣團自身的引力抵禦住了黑洞的進攻，因而沒有被黑洞撕裂。

雖然空歡喜一場，它還是極大的推動了天體物理學家對這類事件的理論研究，爲下次類似事件發生做好了準備。

圖2. 2011年，一個叫G2的氣團被發現正往銀河系中心超大質量黑洞方向跑去。（圖源：ESO）

盛宴——一個持續超久的事件

通常來說，黑洞“攝取”食物的速度（吸積率）有個所謂愛丁頓極限。這是由於光會對照射的物質產生壓力，吸積盤吸積率越高發光越強，但當光強達到一定程度會阻止物質進入吸積盤，使得吸積盤的發光強度有個極限。低於這個極限，黑洞可以“細嚼慢嚥”，消化好（吸積盤薄，能最有效發光）；但高於這個極限的話，黑洞會被迫進入“狼吞虎嚥”狀態，消化差（吸積盤厚，不能有效發光）。

理論認爲，恆星變得粉碎後，一下子會有大量物質可以吃，所以在潮汐瓦解早期，黑洞“狼吞虎嚥”現象應該很普遍。但是，令人困惑的是，以前觀測的幾十個潮汐瓦解事件，都沒有明顯的“狼吞虎嚥”的跡象。XJ1500+0154的美妙之處在於清晰地展現了黑洞從“狼吞虎嚥”狀態到“細嚼慢嚥”狀態的過程（圖3）。這給宇宙早期巨大質量黑洞的一個重要形成模型——“狼吞虎嚥”形成模型——提供了重要的觀測依據。

圖3. 超長潮汐瓦解事件XJ1500+0154的X射線光變曲線和不同時期光譜。光譜總體比較軟（低能光子比高能光子多得多），而且出現從準軟型到超軟型的明顯變化。（圖源：參考資料[8]）

稀有物種的指路牌——潮汐瓦解事件尋找中等質量黑洞

和比比皆是的矮人黑洞和巨人黑洞相比，質量介於這兩者之間的中等質量黑洞（大約一千到十萬倍太陽質量）可謂是稀有物種。這種黑洞可能是超大質量黑洞形成的“火種”，而且理論上有好多渠道可以形成中等質量黑洞，比如早期星團裏大質量恆星的併合。因此，天文學界一直颳着一股“淘金熱”——對中等質量黑洞的這一稀有珍貴物種的苦苦追尋，已經持續幾十年了。

但是，我們至今還沒找到幾個可靠的源。一個著名的中等質量黑洞候選源是ESO 243-49 HLX-1，它的質量估計是太陽的一萬倍。中等質量黑洞如此難覓蹤跡，很可能是因爲它們普遍存在於現如今氣體極爲稀少的星團中心。也就是說，它們正“鬧饑荒”，被迫進入“深度睡眠”，因此輻射極弱，很難被探測到。

圖4. 哈勃太空望遠鏡圖片顯示筆者發現的一箇中等質量黑洞（綠箭頭所指）。（圖源：NASA/ESA/STScl/CXC/UNH/D.Lin et al. [9]）

但是如果中等質量黑洞普遍存在於星團裏，潮汐瓦解事件將是一個探測到它們的獨特方法。筆者今年幸運地找到迄今爲止最好的中等質量黑洞潮汐瓦解恆星的證據（圖4）[10]。這個黑洞飄零在距離地球7億4千萬光年的一個星系的郊區的一個星團裏，它的質量是通過對多個時段的高質量X射線光譜進行擬合估計出來的（這是目前獲取黑洞質量信息少有的幾個可靠方法之一）。因此，這個源是中等質量黑洞存在的少有的有力證據之一。

由於潮汐瓦解事件對於一箇中等質量的黑洞來說並不常見，筆者能夠發現一個意味着在我們附近的宇宙裏，應該有不少相似的中等質量黑洞存在。鑑於中等質量黑洞的重要性，筆者的這一發現也迅速得到極爲廣泛的關注。

美好的明天

目前探測到潮汐瓦解事件還太少，而且大部分只有零星的觀測，很難確定事件的演化過程。觀測到的事件還出乎意料地展現了好多難以解釋的特性，比如：爲什麼好多事件沒有預測的亮？爲什麼大部分事件沒有相對論噴流？爲什麼大部分可見光波段發現到的事件沒有X射線輻射，而X射線發現到的事件可見光輻射往往很弱？因此，潮汐瓦解事件還有好多有趣的問題正待解決。

這個方向的研究想要取得長足的進步，便迫切需要大量有密集觀測的潮汐瓦解事件。

圖5. “愛因斯坦探針”主要探測儀器：寬視場X射線望遠鏡（12個模塊）和處於中心的後隨X射線望遠鏡。（圖源：MicroSAT）

有幾個超大巡天項目正在開展或即將成立。比如正在建設的大型綜合巡天望遠鏡（LSST），預計每年可發現上千個可見光潮汐瓦解事件。我國最新立項的“愛因斯坦探針”衛星（首席科學家袁爲民）預計於2022年發射，最重要的一個科學目標就是通過全天巡天，每年探測到上百個有密集觀測的X射線潮汐瓦解事件[11]。要知道，過去幾十年也就發現了三十來個這樣的事件，其中大部分還只有零星的X射線觀測。因此這一衛星的成功發射將極大地推動潮汐瓦解事件的研究。

可以預計，在下一個十年，潮汐瓦解事件的研究將得到蓬勃發展。最激動人心的時刻還在後頭，讓我們拭目以待！

作者簡介

林達成，新罕布什爾大學物理系研究助理教授。2009年博士畢業於麻省理工學院物理系。主要研究各種緻密天體吸積現象，時變天文學，專攻中子星低質量雙星，黑洞雙星，極亮X射線源，中等質量黑洞，大質量黑洞潮汐瓦解恆星事件等。

參考資料

[1] http://chandra.si.edu/press/17_releases/press_020617.html

[2] 苟利軍，徐明徽，“黑洞質量之謎的七塊拼圖”，《知識分子》天問十三期

[3] https://www.nasa.gov/mission_pages/swift/bursts/devoured-star.html

[4] Rees, M. J., Nature, 333, (1988), 523

[5] Burrows, et al., Nature, 476, (2011), 421

[6] Zauderer, et al., Nature, 476, (2011), 425

[7] Gillessen, et al., Nature, 481, (2012), 51

[8] Lin, et al., Nature Astronomy, 1, (2017), 33

[9] http://chandra.harvard.edu/press/18_releases/press_061818.html

[10] Lin, et al., Nature Astronomy, 2, (2018), 656

[11] Liu, et al., 中國科學：物理學 力學 天文學，48, (2018), 039503

本文經賽先生微信公衆號授權轉載