黑洞如何吞噬恒星?将其撕扯成碎片并释放强烈辐射

据国外媒体报道,这是宇宙中最剧烈的事件之一,当恒星太过靠近星系中央的超大质量黑洞时,会被巨大的引力撕扯成碎片。现在,研究人员对这种特定现象——称为潮汐撕裂事件(tidal disruption event,简称TDE)又有了新的发现。

丹麦哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所(Niels Bohr Institute)和美国加州大学圣克鲁斯分校的研究者提出了一个新的统一模型,对近期观察到的这类极端事件进行了解释。

黑洞如何吞噬恒星?将其撕扯成碎片并释放强烈辐射

恒星被撕裂之后产生的物质被黑洞吞噬的示意图。这些物质形成了一个吸积盘,但由于同时经过黑洞的物质过多,导致温度升高,释放出大量的光线和辐射(两个箭头),并且可以在地球上观测到。

这项突破性的研究结果发表在近期的《天体物理学杂志通信》(Astrophysical Journal Letters)上,为这个快速成长的研究领域提供了新的理论视角。共同作者、哥本哈根大学的恩里科·拉米雷兹-鲁伊兹(Enrico Ramirez-Ruiz)说:“最近十年,我们才开始能将潮汐撕裂事件去其他星系现象区别开来,而新模型将为我们提供基本框架,更好地理解这些罕见事件。”

在大多数星系中,中央黑洞往往十分沉寂,在吞噬物质方面并不活跃,因此也不会释放出任何光线。潮汐撕裂事件十分罕见,在典型星系中大约1万年才发生一次。然而,如果一颗倒霉的恒星太过靠近,被黑洞撕裂的话,黑洞会吞进大量的恒星碎片,并释放出强烈的辐射。

“了解物质如何在这样极端的条件下进入黑洞,是一件很有趣的事情,”论文第一作者、哥本哈根大学助理教授Jane Lixin Dai说,“在黑洞吞噬恒星气体的同时,会释放大量的辐射。我们能观察到这些辐射,而利用观察结果,我们就能了解其中的物理学过程,并计算黑洞的特征。因此,搜寻潮汐撕裂事件是非常有意思的。”

尽管科学家推测,所有潮汐撕裂事件中发生的物理学过程应该都一样的,但就目前观察到的二十多次事件中,呈现出来的黑洞特征有着巨大差别。有些黑洞主要释放X射线,另一些则主要释放可见光和紫外线。

理论物理学家一直在努力理解这种多样性,并将这一难题的不同方面组合成一个连贯的模型。新模型从观察者的视角解释了观察结果的差异。“这就像有张面纱覆盖了一只野兽的某些部分,”拉米雷兹-鲁伊兹解释道,“从某些角度,我们看到的是一整只野兽,但从其他角度看,野兽又被遮住了。同样一只野兽,但给我们的感觉是不一样的。”

Jane Lixin Dai等研究者开发的这一模型结合了包括广义相对论、磁场、辐射和气体流体动力学等在内的多个要素。

什么是黑洞?

黑洞的密度极大,以至于没有任何形式的辐射——即使是光——能够逃脱它们的引力。在巨大的引力作用下,黑洞能将尘埃和气体聚拢在周围。科学家推测,黑洞的巨大引力可能就是星系中的恒星围绕运转的原因。不过,黑洞的起源一直是未解的谜题。

天文学家认为,黑洞可能是巨大的尘埃云团——比太阳大10万倍——塌缩形成的。许多这样的黑洞不断融合,最终形成更加庞大的超大质量黑洞,后者在所有已知的大型星系中央都有发现。

另一方面,超大质量黑洞也可能来源于巨型恒星——质量可达太阳的100倍。在燃料耗尽之后,巨型恒星可能会塌缩形成黑洞。巨型恒星死亡之后也可能形成超新星,这是一种剧烈的爆发过程,能将物质从恒星外层抛射到太空深处。

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