黑洞吞噬恒星以后

（來源：光明日?qǐng)?bào)）

轉(zhuǎn)自：光明日?qǐng)?bào)

當(dāng)恒星被黑洞吞噬后，往往被認(rèn)為會(huì)徹底消失。但近年來的觀測顯示，一場吞噬盛宴后，黑洞似乎也會(huì)“消化不良”。

黑洞不可見，卻是宇宙中極為耀眼的存在。如果一顆恒星過于靠近黑洞，它會(huì)在像煙花秀一樣的“潮汐瓦解事件”中被撕碎。隨著不斷靠近黑洞，恒星會(huì)先被扭曲拉伸，然后約半數(shù)的物質(zhì)會(huì)被拋向遠(yuǎn)方，另一半則在黑洞周圍形成飛盤狀的吸積盤。這個(gè)剛剛形成的吸積盤并不穩(wěn)定——其中的物質(zhì)翻涌碰撞，激發(fā)出可在無線電波段觀測到的宇宙霓虹。

這類事件極為罕見。科學(xué)家估算，銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞約每百萬年才會(huì)吞噬一顆恒星。但事件一旦發(fā)生，其釋放出的光與能量足以在數(shù)百萬甚至數(shù)十億光年外觀測到。

天文學(xué)家曾認(rèn)為，在這場“盛宴”過后，被吞噬的恒星會(huì)徹底消失。然而，近五年的觀測結(jié)果顛覆了這一認(rèn)知。理論未曾預(yù)料的奇特現(xiàn)象表明，黑洞似乎會(huì)“消化不良”——在撕裂恒星數(shù)年后再度噴出物質(zhì)。事實(shí)上，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在沉寂數(shù)年后，近半數(shù)吞噬恒星的黑洞會(huì)突然重新在射電波段爆發(fā)——相當(dāng)于一次宇宙級(jí)的“打嗝”。我們知道這些物質(zhì)絕不可能來自黑洞事件視界內(nèi)部，它們更有可能來自事件視界外吸積盤中激蕩的物質(zhì)。但想要解釋這些黑洞為何會(huì)在延遲如此久之后才“打嗝”，目前還頗具挑戰(zhàn)性。或許，揭開這些反流現(xiàn)象的謎團(tuán)，能幫助我們理解藏在宇宙最極端環(huán)境中未知的物理奧秘。

潮汐瓦解事件

大多數(shù)銀河系大小或更大的星系，中心往往都藏著一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。這些黑洞的質(zhì)量可達(dá)太陽的數(shù)百萬倍乃至數(shù)十億倍，其事件視界（有去無回的邊界）范圍可能超越冥王星繞日軌道半徑。然而，盡管體型驚人，黑洞并不會(huì)像吸塵器一樣肆意吞噬物質(zhì)，正如我們的太陽不會(huì)吞噬行星。假如太陽瞬間被替換成一個(gè)質(zhì)量相同的黑洞，地球仍將沿著原有的軌道運(yùn)行。黑洞真正的獨(dú)特之處在于它的密度：在事件視界內(nèi)，它的引力無比強(qiáng)大，任何事物都無法從中逃脫。

對(duì)于超大質(zhì)量黑洞，僅憑自身質(zhì)量就意味著極為強(qiáng)大的引力。我們銀河系中心的黑洞就是這樣，它被稱為銀心黑洞，距離地球2.7萬光年，質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的400萬倍。數(shù)十年來，天文學(xué)家一直密切追蹤穩(wěn)定繞轉(zhuǎn)銀心黑洞的數(shù)十顆恒星。但他們認(rèn)為，應(yīng)該還有數(shù)千個(gè)天體是不可見的——其中很多是中子星、白矮星這類死亡恒星的殘骸，它們過于黯淡，因而很難被發(fā)現(xiàn)。而一旦某個(gè)未知天體從某顆恒星附近經(jīng)過，可能會(huì)擾動(dòng)后者的軌道，并將其推向與銀心黑洞相撞的不歸路。

遠(yuǎn)在到達(dá)事件視界之前，這顆注定毀滅的恒星就會(huì)開始經(jīng)受潮汐力。離大質(zhì)量黑洞越近，引力就越強(qiáng)，因此恒星靠近黑洞的一側(cè)會(huì)比另一側(cè)受到更強(qiáng)的引力。恒星將開始被拉伸，在被稱為潮汐半徑的邊界處，恒星兩側(cè)受到的拉力差最終會(huì)大于恒星內(nèi)部將其維系在一起的引力。恒星將沿著運(yùn)動(dòng)方向解體，這一過程也被稱為“意大利面化”——首先從球形變成卵形，然后變成長條狀物質(zhì)，類似于細(xì)長的意大利面條。隨著恒星密度的降低，其內(nèi)部聚變停止，這顆可能燃燒了數(shù)十億年的恒星會(huì)在短短幾個(gè)小時(shí)內(nèi)解體。一半的物質(zhì)會(huì)立即向外拋射，永不復(fù)返，其余的則會(huì)形成一個(gè)新的吸積盤繞著黑洞晃動(dòng)。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，吸積盤物質(zhì)質(zhì)量的劇烈變化通常會(huì)在可見光波段產(chǎn)生非常明亮的耀發(fā)。

第一例潮汐瓦解事件的“候選者”于20世紀(jì)90年代被發(fā)現(xiàn)，到如今，天文學(xué)家已經(jīng)觀測到約100例此類事件。恒星解體發(fā)出的閃光可以在數(shù)百萬光年外被看到，乍一看很像一顆爆炸的恒星。然而，這兩者之間存在一些關(guān)鍵區(qū)別：首先，潮汐瓦解事件發(fā)生在潛伏著超大質(zhì)量黑洞的星系中心，而超新星可能發(fā)生在任何地方；其次，來自黑洞耀發(fā)的光譜與垂死恒星的光譜也不相同。天文學(xué)家在恒星解體事件中會(huì)觀測到大量氫的光譜特征，因?yàn)檫@顆恒星可能含有大量從未被利用過的剩余燃料，這也意味著該恒星并非自然死亡。

我們每年都能發(fā)現(xiàn)大約十幾例新的潮汐瓦解事件，它們發(fā)生在平時(shí)不怎么“進(jìn)食”的黑洞周圍。這些黑洞與我們所說的活動(dòng)星系核不同，后者會(huì)進(jìn)行長達(dá)數(shù)年的“饕餮盛宴”，在很長的時(shí)間尺度內(nèi)吸入大量氣體并持續(xù)發(fā)光。活動(dòng)星系核的吞噬狂潮極其混亂，且進(jìn)食的節(jié)奏無比雜亂。相比之下，潮汐瓦解事件則相對(duì)受控，使我們得以觀察將一小塊非常致密的物質(zhì)一次性注入黑洞時(shí)會(huì)發(fā)生什么。

當(dāng)有人發(fā)現(xiàn)新的潮汐瓦解事件時(shí)，像我這樣的射電天文學(xué)家便會(huì)調(diào)轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡，去尋找從新形成的吸積盤向外流出的質(zhì)量和能量所發(fā)出的輻射，尋找以前不存在的射電輻射，即所謂的外流。而射電波就來自這些外流所產(chǎn)生的磁場中電子的螺旋運(yùn)動(dòng)，它為我們提供了一個(gè)在其他波長下無法獲得的物理圖像。我們可以探測逃逸物質(zhì)的速度、爆發(fā)的能量、磁場的強(qiáng)度，甚至外流所穿過的氣體和塵埃的密度。此外，一旦外流離開新形成的吸積盤，仍可以在消散前傳播數(shù)光年的距離。觀測這些外流為天文學(xué)家提供了一種獨(dú)特的方式，可以借此探測此前休眠的超大質(zhì)量黑洞周圍的環(huán)境，而這種方式的精細(xì)程度是其他方法無可比擬的。

潮汐瓦解事件中釋放的全部物質(zhì)中，大約有99%被稱為非相對(duì)論性的——它們以光速的10%或更低的速度運(yùn)動(dòng)。然而，剩下的1%則非常不同。在這些情況下，來自被撕裂恒星的物質(zhì)會(huì)匯聚成一個(gè)以接近光速發(fā)射的噴流。其速度如此之快，以至于我們?cè)谘芯克鼤r(shí)必須考慮相對(duì)論定律，因此我們稱之為“相對(duì)論性外流”。

第一例已知的相對(duì)論性潮汐瓦解事件名為Swift J1644+57，于2011年被美國航空航天局（NASA）的格雷爾斯雨燕天文臺(tái)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)它探測到一個(gè)來自38億光年外的星系中心發(fā)出的奇怪輻射爆發(fā)。在持續(xù)一年半的穩(wěn)定輻射后，Swift J1644+57中的噴流突然關(guān)閉。大概是因?yàn)楣┙o噴流的恒星物質(zhì)大部分已被消耗殆盡，并且吸積率（黑洞在給定時(shí)間內(nèi)吞噬的物質(zhì)質(zhì)量）下降到某個(gè)臨界值以下。在此之前，沒人預(yù)料到這類黑洞進(jìn)食事件能產(chǎn)生相對(duì)論性噴流，更不用說在如此短的時(shí)間尺度內(nèi)開啟和關(guān)閉噴流。至于它們究竟是如何產(chǎn)生，又是為何產(chǎn)生的，目前我們尚未完全理解。

天文學(xué)家曾認(rèn)為，所有潮汐瓦解事件的光變模式都是相似的——耀發(fā)持續(xù)幾個(gè)月，之后就沉寂下去。在它們變暗以后，我們通常就會(huì)停止觀測。畢竟，射電望遠(yuǎn)鏡的觀測時(shí)間非常寶貴。為什么要在爆炸發(fā)生幾年后還浪費(fèi)寶貴的時(shí)間去觀測呢？這是一個(gè)合理的假設(shè)，但事實(shí)證明這是錯(cuò)誤的。而這項(xiàng)錯(cuò)誤的假設(shè)，卻讓我有機(jī)會(huì)獲得畢生難得的發(fā)現(xiàn)。

前所未有的發(fā)現(xiàn)

我第一次決定成為一名天文學(xué)家是在13歲那年，當(dāng)時(shí)我讀了一本關(guān)于太空的書。我一直很喜歡故事，而宇宙的故事無疑是我們所知最宏大、最壯麗的篇章。在高中時(shí)，我決定要成為一名射電天文學(xué)家。這要?dú)w功于卡爾·薩根1985年的小說《接觸》，書中的女主角艾莉·艾羅威利用美國新墨西哥州的甚大陣（VLA）發(fā)現(xiàn)了地外信息。自從投身于這個(gè)領(lǐng)域，我從未停止過探索，因?yàn)樯潆娞煳膶W(xué)對(duì)我而言就像魔法一樣：它讓我們能夠通過連接建筑物大小的天線來捕捉最微弱的信號(hào)，而這些信號(hào)歌唱著用其他方法無法聆聽的故事。作為射電天文學(xué)家，我的職業(yè)生涯充滿了冒險(xiǎn)，但沒有什么能與AT2018hyz的發(fā)現(xiàn)相提并論——這是我第一次發(fā)現(xiàn)正在“打嗝”的黑洞。

這一切都始于2021年美國馬薩諸塞州劍橋市一個(gè)陽光明媚的秋日。當(dāng)時(shí)我還是美國哈佛-史密森尼天體物理中心的一名博士后研究員，負(fù)責(zé)處理來自VLA的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)當(dāng)時(shí)還沒人有空研究。幾個(gè)月前，另一個(gè)團(tuán)隊(duì)在射電波段探測到了一次潮汐瓦解事件，名為ASASSN-15oi，這距離它首次在可見光波段被觀測到，已經(jīng)晚了100多天，且此前沒有探測到射電信號(hào)。多數(shù)天文學(xué)家認(rèn)為這次耀發(fā)是該天體或其環(huán)境特有的某種異常情況造成的，但我認(rèn)為不妨重新搜索一次VLA的巡天數(shù)據(jù)，看看是否有其他黑洞也出現(xiàn)過重復(fù)的耀發(fā)。

VLA通過27個(gè)天線收集射電信號(hào)，然后將這些數(shù)據(jù)組合起來，生成一幅射電圖像。如果我們掃到了一個(gè)射電源，它就會(huì)在一片黑色的背景中點(diǎn)亮一塊像素簇；如果什么都沒有，我們就只能看到雜亂的噪聲圖。就在那個(gè)決定性的日子，我打開了一張名為AT2018hyz的潮汐瓦解事件的圖像，這一事件最初于2018年在光學(xué)波段被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)我看到屏幕時(shí)，我困惑地愣了一會(huì)，然后才手動(dòng)確認(rèn)坐標(biāo)是正確的。在我本以為只會(huì)是噪聲的地方（此前從未有人在這片區(qū)域探測到射電波），出現(xiàn)了一個(gè)明確無誤的明亮射電源——這可是距離地球約6.65億光年的地方。它就這么明確地、悄無聲息地“亮”了起來。

我立刻聯(lián)系了我的合作者們，他們都和我一樣興奮。后來，我找到了一張射電巡天圖，恰好是約9個(gè)月前在同一片天空拍攝的圖像。那張圖上除了噪聲什么都沒有，這意味著AT2018hyz的射電輻射在短短幾個(gè)月內(nèi)突然增強(qiáng)。在天文學(xué)史上，這是前所未見的現(xiàn)象。

大約在第一批觀測數(shù)據(jù)傳來時(shí)，我回家把這個(gè)發(fā)現(xiàn)告訴了丈夫。“問題是，AT2018hyz這名字可不怎么順口，”我告訴他，“而且很明顯，我們接下來的日子會(huì)頻繁提到它。你想給它起個(gè)名字嗎？”我丈夫頓了一下，用那種當(dāng)妻子讓你為一個(gè)黑洞命名時(shí)應(yīng)有的莊重而嚴(yán)肅的語氣堅(jiān)定地說：“杰蒂·麥克杰特菲斯。”雖然這個(gè)名字不是官方的，但從那時(shí)起，AT2018hyz在我們家就被叫作“杰蒂”了。

從某種意義上說，杰蒂最引人注目的點(diǎn)在于它竟然不是個(gè)例。當(dāng)我分析完整個(gè)觀測活動(dòng)的數(shù)據(jù)時(shí)，我發(fā)現(xiàn)有好幾個(gè)數(shù)年前發(fā)生的潮汐瓦解事件也出現(xiàn)新的射電探測信號(hào)。這些事件都是最初被發(fā)現(xiàn)，過一段時(shí)間后“熄滅”，現(xiàn)在又重新“亮”了起來。這似乎意味著，黑洞在吞噬恒星幾年后會(huì)“消化不良”，然后“打嗝”。這種現(xiàn)象令人驚訝，原因有幾點(diǎn)：對(duì)于這類事件，時(shí)隔幾年才有光點(diǎn)再重新亮起，這個(gè)時(shí)間間隔可不尋常。就像你不會(huì)期待，在炸彈爆炸幾年后回到現(xiàn)場，還能看到有新的碎片再次釋放。當(dāng)然，我們也不認(rèn)為黑洞只是簡單地開始吞噬另一顆恒星——如果真是這樣，我們應(yīng)該能觀測到可見光，但事實(shí)并非如此。

最終，我和團(tuán)隊(duì)對(duì)大約二十幾個(gè)黑洞進(jìn)行了巡天觀測，所有這些黑洞最初都是在光學(xué)波段被發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)。通過這些發(fā)現(xiàn)，我們可以確切地知道最初增亮事件發(fā)生的時(shí)間。而在隨后的幾年里，它們都曾在射電波段被觀測過，且當(dāng)時(shí)都是黑暗的。然而，在這些黑洞中，我們發(fā)現(xiàn)了10個(gè)在射電波段重新“亮”起來的“打嗝”黑洞。無論這背后發(fā)生了什么，它都表明黑洞“打嗝”可能是常見的，這讓我們看到了一種可以用來檢驗(yàn)黑洞物理學(xué)的新現(xiàn)象。

盡管仍有許多未解之謎，但目前我們已知的信息如下。首先，關(guān)于潮汐瓦解事件主要在最初幾個(gè)月內(nèi)釋放光和能量的假設(shè)是錯(cuò)誤的。盡管我們總是在最初的瓦解事件中觀測到可見光，但數(shù)據(jù)顯示，射電輻射最常見于瓦解發(fā)生至少1000天后。甚至有些黑洞似乎會(huì)釋放第二波射電波洪流——一次相對(duì)迅速，另一次則在第一次衰退數(shù)百天之后釋放。黑洞開始在射電波段發(fā)光的時(shí)間與其在其他波段發(fā)光的時(shí)間似乎沒有顯著關(guān)聯(lián)——射電輻射沒有伴隨著表明第二顆恒星被瓦解的光學(xué)耀發(fā)，也沒有伴隨著表明黑洞吸積質(zhì)量發(fā)生顯著變化的X射線。

最后，迄今為止收集到的射電數(shù)據(jù)顯示，這些延遲的“打嗝”看起來像是相對(duì)正常的非相對(duì)論性潮汐瓦解事件外流——只是來得比預(yù)期要晚得多。我們?cè)谒鼈冎車h(huán)境中測到的氣體密度也與銀河系中的相似。也就是說，這些黑洞周圍的環(huán)境并沒有什么特別之處。

滯后“打嗝”之謎

現(xiàn)在，最關(guān)鍵的問題是黑洞為什么會(huì)“打嗝”。這看上去就像它們吞噬完物質(zhì)后，停頓一下，然后開始吐出一些物質(zhì)。需要明確的是，我們并沒有觀測到物質(zhì)逃出黑洞事件視界：這在物理上是不可能的，而且我們也沒有看到任何跡象表明發(fā)生了這種情況。相反，我們認(rèn)為是吸積盤內(nèi)部或外部正在發(fā)生一些事情。天體物理學(xué)家曾提出，吸積盤的形成也許比我們之前假設(shè)的要晚得多，也可能是黑洞在其周圍環(huán)境中產(chǎn)生了異常的密度波動(dòng)。這些耀發(fā)可能是由相互作用的塵埃云引起的，也可能是像繭殼一樣圍繞在黑洞周圍的物質(zhì)延遲了射電輻射的流出，使其過了一段時(shí)間才釋放。目前尚不清楚哪種理論或哪些理論是正確的。

然而，在所有黑洞中，杰蒂（或者說AT2018hyz）是個(gè)例外。盡管其他黑洞的“打嗝”事件彼此之間都展現(xiàn)出一些相似性，但杰蒂簡直是“鶴立雞群”。自我首次發(fā)現(xiàn)它以來，它的亮度一直在持續(xù)上升，現(xiàn)在已經(jīng)比當(dāng)初探測到時(shí)亮了大約40倍。

我們?nèi)圆淮_定是什么原因驅(qū)動(dòng)了杰蒂，但有兩種可能性。第一種是，杰蒂在吞噬恒星大約兩年后“打嗝”，釋放出一個(gè)速度約為光速的三分之一的外流。這將是我們所知的第一個(gè)“中等相對(duì)論性”外流，介于非相對(duì)論性和接近光速之間。

第二種可能性也許更加令人難以置信。或許在2018年10月最初的潮汐瓦解事件發(fā)生時(shí)，一個(gè)相對(duì)論性物質(zhì)噴流以幾乎垂直于地球的方向發(fā)射。這個(gè)噴流將是我們迄今為止見過的能量最高的噴流之一。起初，它的方向會(huì)使我們無法觀測到它，但隨著時(shí)間的推移，噴流會(huì)逐漸變寬并進(jìn)入我們的視線。這可能就是我們現(xiàn)在看到的，數(shù)年后的現(xiàn)象。至于它究竟會(huì)達(dá)到多高的能量和亮度，只有實(shí)際觀測到才能得知。

為了區(qū)分這兩種可能性，我和合作者正在使用另一種方法——甚長基線干涉測量（VLBI）來研究杰蒂。通過VLBI，我們將北美和歐洲的射電望遠(yuǎn)鏡連接起來，以創(chuàng)建一個(gè)虛擬的射電望遠(yuǎn)鏡，使其有效尺寸相當(dāng)于德國和夏威夷之間的距離。我們相信，即使距離數(shù)億光年，這個(gè)組合望遠(yuǎn)鏡的分辨率也足以讓我們直接觀測到從黑洞中噴出的物質(zhì)。如今我們已經(jīng)獲得了第一批觀測數(shù)據(jù)，但分析如此遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)非常棘手。我們希望很快能得到答案。

我們還希望擴(kuò)大已知的潮汐瓦解事件的觀測范圍，以監(jiān)測是否有“打嗝”現(xiàn)象。位于智利的薇拉·魯賓天文臺(tái)是一臺(tái)口徑8.4米的望遠(yuǎn)鏡，它已于今年投入使用，每晚巡視整個(gè)夜空。一旦全面運(yùn)行，魯賓天文臺(tái)預(yù)計(jì)將發(fā)現(xiàn)數(shù)百萬個(gè)新天體，從超新星到小行星，并且每年應(yīng)該能發(fā)現(xiàn)大約1000個(gè)新的“進(jìn)食中”的黑洞。

此外，南希·格雷絲·羅曼空間望遠(yuǎn)鏡將于2027年發(fā)射。這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡拍攝的圖像，將與哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的清晰度相似，但視場寬了100倍。我們預(yù)計(jì)它每年將發(fā)現(xiàn)數(shù)百個(gè)新的潮汐瓦解事件。對(duì)那些習(xí)慣于像如涓涓細(xì)流般發(fā)現(xiàn)少量新天體的科學(xué)家而言，這種消防水管般噴涌而出的新數(shù)據(jù)洪流，既令人興奮，又充滿挑戰(zhàn)。

我們生活在一個(gè)充滿宏大毀滅事件的宇宙中，這些毀滅事件的規(guī)模和距離往往都令人難以理解。但黑洞將繼續(xù)它們的“盛宴”和“打嗝”，而我和同事們也將持續(xù)關(guān)注。

（作者：伊薇特·森德斯）