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科学家发现:黑洞吃星际碎片也能“噎住”

发布日期:
2017-03-27
浏览量:
67803

在距地球300万光年的宇宙深处,有一个遥远星系,它的中心是一个超大质量黑洞。科学家最近发现,这个黑洞在“吃”一个恒星时,突然“噎住”了。

  近日,发表在天体物理学杂志上的一篇论文中,来自MIT和NASA的研究人员报道了一次“潮汐撕裂耀斑”——黑洞湮灭周围恒星时发生的一种强烈的电磁辐射爆。这个耀斑在2014年11月首次被发现,从那以后就成了天文学家们关注的焦点,他们调动了很多望远镜对其进行了一年多的观察,希望从中得到黑洞生长和进化的信息。

  在这幅想象画中,厚厚的吸积盘在一个超大质量黑洞周围形成。一颗在边缘游走的倒霉恒星被黑洞捕捉住撕成粉碎,恒星的遗骸向黑洞中心坠落,融入了那团地狱火般的气体云盘中。云盘中心不时向外辐射着光和紫外线,还有X射线的回声。科学家正是利用这些逃逸出来的光线研究鬼魅般存在的黑洞。(Image:NASA/Swift/Aurore Simonnet, Sonoma State University)

  这个由MIT领导的团队对两个不同的望远镜的数据分别进行了分析,发现了耀斑能量谱有一个奇怪的特征:恒星碎片发出的可见光和紫外光光谱出现了异常扰动。而在32天后,科学家在X射线光谱中找到了同样的扰动。

  电脑模拟显示,恒星刚接近黑洞时就被黑洞那强大的引力快速地撕裂,产生的碎片在下落过程中相互碰撞,爆发出大量可见光和紫外光。碎片落越下落就越热,发出的光波长就越短,终于在坠入黑洞一瞬间爆发出相同模式的X射线。

  “实际上,这个黑洞并不是那么饿,只是突然漂来了一颗肉质丰富的恒星”,Dheeraj Pasham是这篇论文的第一作者,也是麻省理工学院Kavli天体物理和空间研究所的博士。“我们看到,这块星际物质并不是被黑洞一口吞下去,而是下落的过程中与自身发生相互作用,走走停停,看起来就像黑洞在“吃”这块儿星际物质的时候噎住了。”

  Pasham说宇宙中隐藏着很多看不见的黑洞,它们并没有活跃地吸积周围的恒星,像冬眠了一样,潮汐撕裂耀斑成了我们认识这类黑洞的一扇窗户。“几乎每一个大质量星系的中心都有一个超大质量的黑洞,”Pasham说,“但我们一般是无法观察到它们,除非发生潮汐撕裂耀斑。

  当一颗恒星靠近黑洞时,它被黑洞的巨大的引力撕扯拉碎。就像临死前最后一声哀嚎,被撕碎的恒星发出能量巨大的电磁波辐射,频率从X射线到高能伽玛射线,涵盖了整个波段。这种现象在宇宙中很罕见。

  “你要盯着一个星系看一万到十万年才能等到一次恒星被黑洞吞噬的事件”,Pasham说。然而就在2014年11月11号,一个叫ASASSN的机器人望远镜全球网络幸运地捕捉到了一次潮汐撕裂耀斑,这次事件发生在距离地球300万光年处星系中心。科学家迅速地从别处调用其它望远镜进行观察,在太空轨道上的NASA 的Swift卫星也加入了观察的队伍中。

  “我们很幸运,在它真正到来时大家都做好了充分的准备。”Pasham说。“望远镜之间的数据共享让我们得以分析巨量的数据。

  Pasham和他的同事打算利用这些数据解决一个长期困扰他们的问题:耀斑的最初爆发位置是哪里?黑洞动力学的模型告诉我们,X射线的爆发离黑洞非常近,但是可见光和紫外线的爆发点却仍然很难找到。找到这个位置十分关键,借此我们可以推算一个恒星是何时开始被黑洞撕裂的。

  超质量黑洞和它们的宿主星系都是在不断生长的”,Pasham说。“如果我们能知道潮汐撕裂耀斑中发生了什么,就可以理解黑洞和星系的共生进化过程。”

  研究人员追踪了ASSASSN-14i耀斑发生后的270天内的情况, 通过分析Swift卫星和Las Cumbres天文台全球望远镜上采集的X射线和可见光/紫外线数据,他们发现了X射线谱上的两个峰,一个在第50天,一个在第110天,中间第80天左右有一个低谷。而在可见/紫外波段上,他们发现了一模一样的扰动。

  为了解释这种能量“回声”,团队用电脑模拟了黑洞吞噬恒星的全过程。他们对吸积盘(由环绕黑洞的恒星碎片构成的椭圆形盘),最概然速率,半径,和坠落速度(物质坠入黑洞的速度)都进行了模拟。模拟结果告诉我们,可见光/紫外线爆很可能发生在黑洞外围的碰撞中,撞碎后的物质向黑洞中心坠落的过程中被加热,最终发出了X射线。这正导致了X射线的延迟,该结果与观察一致。

  “对于缓慢吸积的超大质量黑洞来说,这种现象不会发生”,Pasham说:“因为恒星的质量被黑洞缓慢连续地吸走,吸积盘中的物质缓慢地绕黑洞旋转,缓慢地丢失着能量。但是ASSASN-14li的耀斑却是另外一回事儿。就好你你突然扔给黑洞一大块物质,这些物质在下落的过程中会与自身发生反应,再下落,再反应。如果将来还有机会观察到别的潮汐撕裂耀斑现象,我们还要看会不会有类似的现象发生。”

  这项研究部分受资助于NASA.Pasham的共同作者包括麻省理工学院Kavli研究所的博士后:Aleksander Sadowski,美国航空航天局Goddard太空飞行中心的研究部,以及来自马里兰大学的研究者,来自哈佛大学Smithsonian天体物理研究中心,哥伦比亚大学和约翰霍普金斯大学的研究者者。