科学|被黑洞吞噬的恒星，到底是怎么被撕碎的？科学家终于搞清楚了
根据爱因斯坦的广义相对论 ， 可以推导出宇宙中一种神秘的天体——黑洞 。 这种天体拥有着无限大的密度和引力 ， 以至于光都无法逃脱 。
正因为黑洞的这个特点 ， 我们可能永远也无法直接看到黑洞的本体——奇点 ， 而是仅仅能够通过一些间接的方法证明它的存在 ， 通过它周围的空间和物质来理解它 。
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发现黑洞的方法之一 ， 就是通过黑洞对周围恒星的吞噬 。 虽然恒星的引力也非常强 ， 但是在黑洞面前就是螳臂当车 ， 不值一提 。 任何靠近黑洞的恒星 ， 几乎都难逃被黑洞吞噬的命运 ， 而它的物质落入黑洞的画面就可以被我们用来证明黑洞的存在 。
恒星不会以一个整体的形式直接被黑洞吞噬 ， 而是会首先在黑洞强大的引力下被撕碎 。 不过 ， 恒星被撕碎的过程中到底经历了什么 ， 以及其中的细节 ， 仍然是科学家们研究的重点之一 。 理论上来说 ， 这些被撕扯下来的碎片会在黑洞周围旋绕、形成一个圆盘状结构 。 但是 ， 实际上科学家观测到的黑洞吞噬恒星的潮汐破坏过程（TDE）中 ， 却几乎没有发现多少这种能够释放X射线耀斑的吸积盘所存在的证据 。
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加州大学圣克鲁斯分校的天文学家Tiara Hung解释说：“根据传统的理论 ， 潮汐破坏过程耀斑来自于吸积盘 ， 炽热的气体旋转落入黑洞的区域就会释放出大量X射线 。 但是 ， 对于大部分潮汐破坏过程来说 ， 它们通常是在紫外光和可见光波段发出光芒 ， 我们看不到X射线 。 因此有人提出 ， 我们看到的并非是吸积盘 ， 而是恒星的碎片相互碰撞所产生的辐射 。 ”
因此 ， 有些科学家提出理论认为：或许是潮汐破坏过程持续的时间太短 ， 以至于根本无法形成吸积盘 。
不过 ， 最新的研究表明 ， 以往的理论并没有错 。 科学家们对潮汐破坏过程在可见光和紫外光波段分别进行了新的观测 ， 最终发现了一些蛛丝马迹 ， 证明黑洞吸积盘的确像理论所描述的那样演化 ， 也佐证了恒星被吞噬的过程细节 。
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这一次的观测目标距离我们有6.24亿光年 ， 位于一个名叫2MASS J10065085+0141342的星系中心 。 和其他大部分星系一样 ， 这个星系的中心也有一个超大质量黑洞在2018年的时候 ， 科学家们首次在这里发现了异常情况 ， 认为它正在吞噬一颗恒星 。 研究人员非常兴奋 ， 把握住了这次良机 ， 在多个波段对这次潮汐破坏事件进行了观测 ， 并且给它命名为AT 2018hyz 。
通过观测数据可以计算得出 ， 这个超大质量黑洞大约相当于太阳质量的几百万倍 。 正是它的强大引力 ， 干扰了恒星的运行 ， 最终将恒星吞噬 。
在获得的光谱中 ， 研究人员发现了不同寻常之处 ， 那就是被称为巴尔末发射谱线的双峰 ， 这是氢原子中电子向较低能级跃迁的特征 。 加州大学圣克鲁斯分校的天体物理学家Ryan Foley首先发现了这个谱线 ， 他形容说：“我简直惊掉了下巴 ， 并且马上意识到其中耐人寻味之处 。 最值得注意的就是氢线——氢的发射谱线——它所拥有的双峰轮廓与任何其他潮汐破坏事件都大不相同的 。 ”
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我们知道 ， 宇宙中有一种超大质量黑洞 ， 被称为活跃星系核 。 而在活跃星系核中 ， 这种巴尔末发射谱线的双峰就是黑洞吸积盘的证据 。
通过这些光谱和多普勒效应 ， 我们还可以判断其运动特征 。 比如：当物体靠近我们移动时 ， 其波长就会变短 ， 频率变高 ， 在光谱上就是向蓝色的方向移动 ， 也就是所谓的蓝移；反之 ， 如果物体在远离我们 ， 其波长会变长 ， 频率降低 ， 在光谱上表现为向红色方向移动 ， 也就是所谓的红移 。
如果一个黑洞的吸积盘平行于我们或者与我们的视线夹角比较小 ， 那么我们就可以发现其中一侧出现红移的现象 ， 另一侧出现蓝移的现象 。 那么 ， 我们就可以判断这个吸积盘的旋转方向——红移那一侧在远离我们 ， 蓝移的那一侧在靠近我们 。 比如你看到一个黑洞右侧的吸积盘出现红移 ， 左侧出现蓝移 ， 那么从俯视的角度看 ， 吸积盘就是在逆时针旋转 。 同时 ， 通过红移和蓝移的程度 ， 科学家们还能计算其旋转的速度 。
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（图片说明：红移和蓝移的示意图）
加州大学圣克鲁斯分校的天体物理学家Enrico Ramirez-Ruiz兴奋地说说：“这是抄袭破坏事件中吸积盘能够形成的第一个铁证 ， 虽然我们没有直接观测到X射线…我觉得我们这一次太幸运了 ， 模拟数据表明：我们想要观测的现象对倾角有着很精细的要求 。 只有特定的方向才能让我们看到双峰 ， 而另一个方向才能让我们看到X射线发射光谱 。 ”
恰恰是由于这次事件近乎完美的倾角 ， 让我们证明了黑洞吞噬恒星的过程中的确伴随着X射线的出现 ， 并且可以借此来了解吞噬的过程 。
研究团队在接下来的几个月时间里继续对AT 2018hyz进行了不同波段的观测 ， 并且与其他抄袭破坏事件及模拟过程进行了对比和分析 。
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他们指出：这些吸积盘是由被吞噬恒星原始质量的5%所组成 。 虽然恒星的质量非常惊人 ， 但仅仅需要一个月的时间 ， 这5%的部分就会被撕碎 ， 形成巨大的吸积盘 。
除了加州大学圣克鲁斯分校的团队之外 ， 苏格兰爱丁堡大学天文学家Phil Short所领导的一支团队也同样独立研究得到了相同的结论 ， 这意味着他们很可能是正确的 ， 并且互相验证了结果 。
不过 ， 这不意味着所有的谜题都得到了解答 。 Short表示：他们发现双峰仅仅持续了很短的时间 ， 然后就消失了 ， 目前他们还找不到理由来解释这个现象 。 两个团队的科学家们也都呼吁其他人关注类似的事件 ， 从而破解这些谜团 。
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黑洞吞噬恒星的现象虽然不太可能发生在太阳系 ， 但这些极端事件对于我们验证一些高深的物理理论来说非常重要 。 就像引力波只能通过双黑洞、双中子星合并这样的事件来检测一样 ， 黑洞吞噬恒星很可能也隐藏着我们还不知道的物理理论 。 这些理论也许现在用不上 ， 但是当我们突破太阳系的时候 ， 也许它就是我们最有力的武器 。
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