在廣袤的宇宙空間裡，有一顆太陽質量大小的恆星在漫無目的地逡巡，周圍是一片漆黑似乎並沒有什麼異常。然而，很多年來它卻一直能感受到一股強大的外部引力。突然，這股引力莫名地變強並開始撕扯恆星，很快這顆恆星已無法繼續通過自身引力保持完整，一側的身體首先被撕碎；被撕碎的恆星碎片形成長長的細流，向黑暗的盡頭奔去，並在盡頭處亮起濛濛的光輝，一場星際“獵殺”拉開了帷幕，舞臺中央是一個百萬倍太陽質量的黑洞。
黑洞撕裂恆星過程(藝術圖) | 來源：ESO/M. Kornmesser
以上場景基於2019年觀測到的真實事件——“AT2019qiz”，距離地球2.15億光年之外一顆恆星被超大質量黑洞撕裂吸積的全過程。這是目前距離我們最近的潮汐瓦解事件（Tidal Disruption Event，TDE），也是迄今整個過程被瞭解得最為清晰的TDE之一。
什麼是TDE？
現在普遍認為，所有星系的中心都有黑洞。但50年前，人們並不清楚黑洞是否存在於所有星系中心。由於黑洞的引力極強，黑洞視界面（對靜止黑洞來說即施瓦西半徑）：
內所有物質包括光都無法逃脫黑洞的引力束縛，所以，我們是無法直接看到黑洞的。100萬倍太陽質量的黑洞的施瓦西半徑約為300萬公裡。
也正是由於極強引力，可以通過探測黑洞對周圍物質環境的影響來間接證明黑洞的存在。英國天文學家Martin Rees在1988年提出了用TDE檢測的辦法。如果恆星運動到黑洞潮汐半徑處：
對一個與太陽大小、質量都相當的恆星和一個100萬倍太陽質量的黑洞，這個值約為7000萬公裡。恆星受到的潮汐力大於自身的引力，被撕裂瓦解成恆星碎片，發生TDE。瓦解後約一半恆星碎片圍繞黑洞形成吸積盤，產生持續數月甚至數年的X射線輻射耀發現象，從而探知星系中心黑洞的存在。
說到這裡大家可能會有疑問，在《星際穿越》電影裡，適合人類居住的候選行星中，有顆位於卡岡圖雅黑洞視界面附近，為什麼它沒有被撕裂呢？首先，行星的半徑相比恆星而言要小的多，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量的增長比潮汐半徑要快，當黑洞質量大到一定程度的時候，視界面會大於潮汐半徑。卡岡圖雅黑洞約1億倍太陽質量，此時的黑洞視界面大於撕裂行星的潮汐半徑，所以我們看不到行星被撕碎的現象。或許在某個時刻，卡岡圖雅會悄無聲息地將行星“一口”吞沒。
由上可知，TDE的發生，對黑洞質量，被撕裂對象都有著嚴格要求。對於太陽質量大小的恆星，能夠產生TDE的靜止黑洞質量一般為100萬到1億倍太陽質量。目前觀測到的TDE發生概率，與理論預測一致：約1萬年到10萬年，一個星系會發生一次TDE。
TDE的多波段觀測
TDE的理論很快被證實，1990年ROSAT衛星在星系NGC 5905中第一次觀測到TDE現象。之後各個波段的空間和地面望遠鏡也都加入到發現TDE的戰隊。
〇 X射線波段可以判斷黑洞周圍是否有吸積盤生成。Chandra、XMM-Newton空間X射線望遠鏡、Swift衛星都是探測TDE利器。特別是Swift，發現了很可能是相互繞轉雙黑洞產生的TDE。
〇 紫外和光學波段也會有強烈的耀發，其中的譜線更有助於探測TDE是否有外流產生。紫外波段的星系演化探測器GALEX (The Galaxy Evolution Explorer)在2006年發現第一例紫外的TDE (GALEX-D3-13)。地面的斯隆巡天SDSS(Sloan Digital Sky Survey)通過光學波段突然出現的譜線，在2008年發現首例光學TDE（SDSS J0992）。
〇 紅外波段可以揭示黑洞周圍環境的介質如何受TDE的影響。廣域紅外探測器WISE（Wide-Field Infrared Survey Explorer）於2016年第一次探測到了TDE (ASASSN-14li)的紅外信號。
〇 射電波段則可以直接證實外流的存在。2011年增容甚大陣EVLA (Expanded Very Large Array)通過5.8 GHz的射電觀測證認了第一例有噴流的TDE（Swift J1644+57）。
還原AT2019qiz
對AT2019qiz的細節瞭解，離不開從地面到空間多個波段的望遠鏡對撕裂全過程的光度變化和光譜的聯合觀測。此次的參與設備有：茲維基瞬變源巡天ZTF、小行星陸地撞擊持續報警系統ATLAS-0.5m、Las Cumbres天文臺南北望遠鏡LCO-2m、新技術望遠鏡NTT-3.6m、多鏡面望遠鏡MMT-6.5m、威廉·赫歇爾望遠鏡WHT-4.2m、利物浦望遠鏡LT-2m、凱克望遠鏡Keck-10m等光學望遠鏡和雨燕天文臺Swift衛星（X射線）、澳大利亞密集陣列望遠鏡ATCA（射電）等。
假設人眼可以直接看到“AT2019qiz”, 大概只會發現“變亮了”，“嗯，又變暗了”，因為人類眼睛的3種感色細胞峰值敏感區域僅在紅、綠、藍三個狹窄波段（如圖），獲得的信息有限。如果能像螳螂蝦那樣擁有16種感色細胞，也許就可以直接肉眼看到TDE的更多細節，比如突然出現的外流等等。其實，在3000-8000Å的光學波段範圍內有很多光譜特徵，依靠光譜儀監測可以細緻地根據光度變化和譜線特徵來推測出恆星被撕裂後黑洞周圍的變化。
不同設備的多時段光學光譜（d表示天）
恆星被撕裂後，恆星碎片逐漸朝黑洞流過去，在其周圍形成吸積盤。物質在盤上旋轉摩擦，釋放引力能。盤的溫度不斷升高，發出強烈的X射線，加熱黑洞周圍氣體，光球增亮，以2000公裡每秒的速度膨脹。同時，兩股迅猛的外流從盤的兩極衝出，速度高達每秒3000到10000公裡。
熱光度、光球溫度和光球半徑的變化（0為峰值時刻）
黑洞周圍變得越來越亮，一個月後達到了頂峰，亮度足有太陽的100億倍！光球半徑足有50個日地距離！之後，光度終於開始緩慢下降。光球先保持大小不變，溫度開始下降，直到大約15000 K，而外流也逐漸消失。接著，光球開始收縮。之後的兩個月裡，黑洞周圍的這些活動才逐漸消失，恢復寧靜。至此，黑洞完成了此次吞噬恆星的獵殺。
事件歷經6個月的時間，光度變化接近1000倍，在目前的TDE觀測中，屬於快速演化系列。而原先的那顆恆星，大約只有四分之一的物質能夠逃離，冀望能當一個安安靜靜的小矮星。
TDE觀測的未來展望
目前的TDE觀測呈現出豐富的表現形式：在光變持續時間上，TDE的觀測光變時標在年的量級。但此次的“AT2019qiz"在光度上升1個月到達峰值後，5個月時間內光度便下降到原來水平，是快速演化的TDE，僅次於下降最快的iPTF16fnl。而2011年的一篇工作中，發現TDE SDSS J1500有著11年的長期光變。在多波段觀測方面，光學波段發現的源，X射線波段的輻射普遍比較暗,但也有觀測到3例X射線輻射較亮的光學發現源。
關於TDE統一理論模型的構建，仍需要未來各個波段聯合觀測。隨著觀測樣本的增加，我們將慢慢見識到超大質量黑洞這個隱形獵手的各種手段，或快速撕碎吞嚥一顆恆星，或慢慢啜食一朵飄過的雲。
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：韓園珍，中國科學院紫金山天文臺碩士研究生，研究方向：紫外與X射線光譜研究。
來源：中國科學院紫金山天文臺
轉載請超鏈接註明：頭條資訊 » 隱蔽的獵殺——潮汐瓦解事件
免責聲明
：非本網註明原創的信息，皆為程序自動獲取互聯網，目的在於傳遞更多信息，並不代表本網贊同其觀點和對其真實性負責；如此頁面有侵犯到您的權益，請給站長發送郵件，並提供相關證明(版權證明、身份證正反面、侵權鏈接)，站長將在收到郵件24小時內刪除。