黑洞是如何“吃大餐”的？ | 赛先生天文
大质量黑洞潮汐瓦解恒星事件（图源：nasa/cxc/m.weiss [1]）
撰文 | 林达成（新罕布什尔大学）
编辑 | 韩越扬 金庄维
黑洞拥有摧枯拉朽的超强引力，它的魔爪连光都无法挣脱。那么它是否会肆无忌惮地吞噬周边的一切呢？如果某个东西不幸太靠近黑洞又会发生什么事情？ 本期《赛先生天文》带你深入了解被黑洞吞噬的悲剧——大质量黑洞潮汐瓦解恒星事件。
神秘的黑洞
黑洞的密度极大，所有质量被限制在极小的视界范围内[2]，就连光都逃不出来。这就导致黑洞附近引力极其强大。如果要把地球变成黑洞，就必须把它压缩到一个硬币大小，重力也将比我们现在感受到的强约0.5亿亿倍。
正是因为连光线都无法逃脱，所以黑洞本身并不发光，我们很难像探测其他天体那样直接探测到它们。
那科学家们如何来观察和研究黑洞呢？在它“吃东西”的时候去探测它！黑洞在“进食”的过程中，并不是将周围的物质一口吞下。那些物质会盘旋着形成所谓的吸积盘，并被黑洞强大的引力场加热到极高温度（极强的势能转换成热能），发射出很强的x射线，从而被空间探测器探测到。
黑洞虽然看起来很神秘，甚至是不可思议，但是对天文学家来说，它们的存在却是毋庸置疑的。在黑洞王国里，我们所熟知的，有矮人和巨人两个大家族。矮人家族指恒星级黑洞，质量为太阳的几倍到几十倍。这个家族的成员通常能在双星系统——包括一个黑洞和一颗绕着它转的恒星——中被探测到，因为黑洞会吸积着恒星表面的气体而发光（这种系统中恒星离黑洞太远不会被整体吃掉）。
而巨人家族指的是那些超大质量黑洞，它们的质量可以达到太阳的一百万倍甚至十亿倍以上，普遍存在于星系核中心。这些“巨人”中的一小部分，周边有着丰富的气体可吸积，天文学家称他们为活动星系核。活动星系核是太空里主要的x射线源，它的辐射通常很稳定，估计可维持上万年。
悲壮的死亡
许多人都有这样的困惑：未来某一天，我们会不会也被黑洞吃掉？虽然理论上很难完全排除，但离我们较近的都是小型黑洞，最近的也在3000光年以外，所以我们被黑洞吞噬的可能性应该极小。但是类似的天祸在浩瀚的宇宙里时有发生，而且已经被多次探测到，这便是超级质量黑洞潮汐瓦解恒星事件（tidal disruption event，简称tde）。
星系核里的黑洞非常大，而周边的恒星又太过密集，因此难免有些会被邻居碰撞一下而“误入歧途”——不幸太靠近超级质量黑洞而被吃掉。
图1. 大质量黑洞潮汐瓦解恒星的过程。（图源：nasa/goddard space flight center/swift [3]）
那么这种悲剧会不会悄无声息的进行呢？如果黑洞质量过大，比一亿个太阳质量还要大的话，这是有可能的。恒星会“来不及反应”，连形状都来不及改变就掉进黑洞的视界里。
但星系核里的超大质量黑洞，一般在一百万到一亿倍太阳质量之间。如果恒星遇到这样的黑洞，那将是另一番景象了。在掉进黑洞视界之前，恒星就会被黑洞强大的潮汐力“五马分尸”。一部分恒星物质会被黑洞“吃掉”，迅速产生以x射线为主的辐射大爆发，可持续几个月到几年。这被形象地称为“恒星最后的哀嚎”（图1）。至于那些幸运逃脱的物质，则会弥散于太空。
那么这种将恒星“撕裂”的潮汐力源自何方？由于黑洞附近的引力场空间变化很大，恒星靠近黑洞的一端受到的引力，要比远离黑洞的另一端大得多。当这种引力差，也就是潮汐力，比恒星自身的引力还要强大时，恒星就会“粉身碎骨”。只有黑洞质量不是太大时，这种撕裂才会发生在黑洞视界外而被观测到。
对于一个位于星系中心的超大质量黑洞来说，潮汐瓦解事件并不常见，大约一万年才发生一次。但是现代这些灵敏的成像探测器，往往每次观测都能同时监视很多黑洞，所以统计上讲，我们还是能时不时地探测到来自这个或者那个超大质量黑洞的潮汐瓦解事件。
研究这些事件具有很多重要物理意义。首先大部分超大质量黑洞是沉寂的，潮汐瓦解事件几乎是寻找并研究它们的唯一办法。还有这类事件是研究大质量黑洞在物质吸积率大幅度变化下吸积过程如何演化的理想实验室，是寻找中等质量黑洞和双超大质量黑洞系统的独特办法。
难得的有趣发现
潮汐瓦解事件的理论形成于上世纪七八十年代，其中最著名的是剑桥大学的马丁•里斯（martin j. rees）教授1988年发表于自然杂志上的文章[4]。这篇文章对潮汐瓦解事件的形成、特征、发生频率等给出了比较全面的描述和预测。
早期对潮汐瓦解事件的观测始于上世纪九十年代。当时，由美国、德国、英国一起研制的太空望远镜rosat卫星，在全天巡天观测中，发现了四个潮汐瓦解事件的x射线候选源。这些源的峰值亮度极高，拥有超软的x射线光谱（大部分光子能量低于1kev），而且是亮度变化幅度极大的瞬变源，寄主星系核也无长期活跃迹象（排除了活动星系核的可能）。这些特征都跟潮汐瓦解事件理论的预测大体吻合。
进入21世纪以来，随着现代x射线成像卫星xmm-newton，chandra和swift的发射，以及几个大型巡天项目（覆盖紫外到可见光）的展开，已经有近百个潮汐瓦解事件被发现。在这其中，有x射线辐射的大概有30来个。
虽然探测到的数量不多，但是潮汐瓦解事件的研究在最近备受关注。这主要是因为时不时会有一些意想不到但又非常有趣的发现。宇宙有太多的可能性，给人以无限的遐想空间：大质量黑洞可以是高速旋转的，可以是不在星系核中心的，可以是互相旋转的双黑洞，等等；而被撕裂的也可以是各种各样的恒星，甚至白矮星。很多有趣天体现象也已经在潮汐瓦解事件里被观测到：相对论喷流，喷流与黑洞周边气体相互作用，电离气体流等等。
下面，我们来介绍四个十分有趣的潮汐瓦解事件（后两个由笔者发现）。透过它们，你可以了解到潮汐瓦解事件的一些扣人心弦的时刻。
意外的邂逅——sw 1644 57
sw 1644 57，可以说是最激动人心，也最意外的发现了。
2011年3月28日，swift伽马射线探测器意外探测到一个人类有史以来观测到的最壮观的伽马射线爆发，持续时间远比正常的伽马射线暴（来自恒星坍塌或双致密天体合并）长。它迅速受到全世界各大望远镜的关注。哈勃太空望远镜（可见光）、钱德拉塞卡卫星（x射线），甚大天线阵（射电）联合观测很快发现，这个爆发来源于距离我们38亿光年的一个星系的核中心，应该跟超大质量黑洞有关。
多篇相关论文几乎同时发表，其中有两篇发表在《自然》杂志[5,6]，还有两篇发表在《科学》杂志。研究认为，这个突发性的大爆发源于一个非常特殊的潮汐瓦解事件：有相对论喷流（带电物质沿黑洞旋转轴呈束状向外喷射，且速度接近光速）形成，并且喷流方向刚好指向地球（图1）。
发生这种情况的概率只有不到1%，而且此前发现的潮汐瓦解事件都没有相对论喷流的迹象。而这个事件让人类第一次观测到超大质量黑洞吸积时产生的相对论喷流，因此意义十分重大，引起了全世界的广泛关注。
空欢喜一场——神秘气团逃脱“魔爪”
有确切的证据表明，银河系中心有个超大质量黑洞，叫sgr a*。但是其周边气体很少，因此吸积率极低，光辐射极弱。作为离我们最近的超大质量黑洞，若能发生一次潮汐瓦解事件，那将是我们“在家门口零距离”观测超大质量黑洞“吃大餐”的绝佳机会。但是由于潮汐瓦解事件大约一万年才可能出现一次，我们想要在有生之年观测到，可需要不少运气。
因此，当一个神秘的气团在2011年被发现正驶向sgr a*时（图2）[7]，天文界轰动了。据推算，气团会在2013年底距离sgr a*最近，届时就有可能被黑洞撕开变成佳肴。因此各大天文望远镜拭目以待，准备捕捉这一“万年一遇”的盛宴。
很遗憾，2013年早已过去，一切还是那么平静，气团似乎完好无损的逃过了sgr a*的“魔爪”。科学家提出了种种说法，其中一种合理的解释是气团里含有比较致密的核，使得气团自身的引力抵御住了黑洞的进攻，因而没有被黑洞撕裂。
虽然空欢喜一场，它还是极大的推动了天体物理学家对这类事件的理论研究，为下次类似事件发生做好了准备。
图2. 2011年，一个叫g2的气团被发现正往银河系中心超大质量黑洞方向跑去。（图源：eso）
盛宴——一个持续超久的事件
笔者多年来从事潮汐瓦解事件的研究，主要从xmm-newton卫星的海量x射线数据中搜索意外探测到的源，并且很幸运地发现了一些非常有趣的事件。去年，笔者发现了一个持续超过十年的事件xj1500 0154（图3）[8]，辐射时间远比其它事件长。这应该是因为超大质量黑洞瓦解吞噬了比较大的恒星而造成的。除了持续时间长，这个事件的发现有着更为深远的物理意义，就是探测到了超爱丁顿吸积率的特征。
通常来说，黑洞“摄取”食物的速度（吸积率）有个所谓爱丁顿极限。这是由于光会对照射的物质产生压力，吸积盘吸积率越高发光越强，但当光强达到一定程度会阻止物质进入吸积盘，使得吸积盘的发光强度有个极限。低于这个极限，黑洞可以“细嚼慢咽”，消化好（吸积盘薄，能最有效发光）；但高于这个极限的话，黑洞会被迫进入“狼吞虎咽”状态，消化差（吸积盘厚，不能有效发光）。
理论认为，恒星变得粉碎后，一下子会有大量物质可以吃，所以在潮汐瓦解早期，黑洞“狼吞虎咽”现象应该很普遍。但是，令人困惑的是，以前观测的几十个潮汐瓦解事件，都没有明显的“狼吞虎咽”的迹象。xj1500 0154的美妙之处在于清晰地展现了黑洞从“狼吞虎咽”状态到“细嚼慢咽”状态的过程（图3）。这给宇宙早期巨大质量黑洞的一个重要形成模型——“狼吞虎咽”形成模型——提供了重要的观测依据。
图3. 超长潮汐瓦解事件xj1500 0154的x射线光变曲线和不同时期光谱。光谱总体比较软（低能光子比高能光子多得多），而且出现从准软型到超软型的明显变化。（图源：参考资料[8]）
稀有物种的指路牌——潮汐瓦解事件寻找中等质量黑洞
和比比皆是的矮人黑洞和巨人黑洞相比，质量介于这两者之间的中等质量黑洞（大约一千到十万倍太阳质量）可谓是稀有物种。这种黑洞可能是超大质量黑洞形成的“火种”，而且理论上有好多渠道可以形成中等质量黑洞，比如早期星团里大质量恒星的并合。因此，天文学界一直刮着一股“淘金热”——对中等质量黑洞的这一稀有珍贵物种的苦苦追寻，已经持续几十年了。
但是，我们至今还没找到几个可靠的源。一个著名的中等质量黑洞候选源是eso 243-49 hlx-1，它的质量估计是太阳的一万倍。中等质量黑洞如此难觅踪迹，很可能是因为它们普遍存在于现如今气体极为稀少的星团中心。也就是说，它们正“闹饥荒”，被迫进入“深度睡眠”，因此辐射极弱，很难被探测到。
图4. 哈勃太空望远镜图片显示笔者发现的一个中等质量黑洞（绿箭头所指）。（图源：nasa/esa/stscl/cxc/unh/d.lin et al. [9]）
但是如果中等质量黑洞普遍存在于星团里，潮汐瓦解事件将是一个探测到它们的独特方法。笔者今年幸运地找到迄今为止最好的中等质量黑洞潮汐瓦解恒星的证据（图4）[10]。 这个黑洞飘零在距离地球7亿4千万光年的一个星系的郊区的一个星团里，它的质量是通过对多个时段的高质量x射线光谱进行拟合估计出来的（这是目前获取黑洞质量信息少有的几个可靠方法之一）。因此，这个源是中等质量黑洞存在的少有的有力证据之一。
由于潮汐瓦解事件对于一个中等质量的黑洞来说并不常见，笔者能够发现一个意味着在我们附近的宇宙里，应该有不少相似的中等质量黑洞存在。鉴于中等质量黑洞的重要性，笔者的这一发现也迅速得到极为广泛的关注。
美好的明天
目前探测到潮汐瓦解事件还太少，而且大部分只有零星的观测，很难确定事件的演化过程。观测到的事件还出乎意料地展现了好多难以解释的特性，比如：为什么好多事件没有预测的亮？为什么大部分事件没有相对论喷流？为什么大部分可见光波段发现到的事件没有x射线辐射，而x射线发现到的事件可见光辐射往往很弱？因此，潮汐瓦解事件还有好多有趣的问题正待解决。
这个方向的研究想要取得长足的进步，便迫切需要大量有密集观测的潮汐瓦解事件。
图5. “爱因斯坦探针”主要探测仪器：宽视场x射线望远镜（12个模块）和处于中心的后随x射线望远镜。（图源：microsat）
有几个超大巡天项目正在开展或即将成立。比如正在建设的大型综合巡天望远镜（lsst），预计每年可发现上千个可见光潮汐瓦解事件。我国最新立项的“爱因斯坦探针”卫星（首席科学家袁为民）预计于2022年发射，最重要的一个科学目标就是通过全天巡天，每年探测到上百个有密集观测的x射线潮汐瓦解事件[11]。要知道，过去几十年也就发现了三十来个这样的事件，其中大部分还只有零星的x射线观测。因此这一卫星的成功发射将极大地推动潮汐瓦解事件的研究。
可以预计，在下一个十年，潮汐瓦解事件的研究将得到蓬勃发展。最激动人心的时刻还在后头，让我们拭目以待！
作者简介
林达成，新罕布什尔大学物理系研究助理教授。2009年博士毕业于麻省理工学院物理系。主要研究各种致密天体吸积现象，时变天文学，专攻中子星低质量双星，黑洞双星，极亮x射线源，中等质量黑洞，大质量黑洞潮汐瓦解恒星事件等。
参考资料
[1] http://chandra.si.edu/press/17_releases/press_020617.html
[2] 苟利军，徐明徽，“黑洞质量之谜的七块拼图”，《知识分子》天问十三期
[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., 中国科学：物理学 力学 天文学，48, (2018), 039503
本文转载来源：公众号“赛先生”
