白光照徹，黑洞粗暴撕碎恒星身體

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作者：Carolyn Collins Petersen

翻譯：鐘藝

校對：張國雙

美工：江哲宇

后臺：朱宸宇

原文鏈接：https://www.universetoday.com/articles/how-a-black-hole-and-a-shredded-star-could-light-up-a-galaxy

2014 年，當云狀天體 G2 從人馬座 A * 附近掠過時，天文學家曾預測會出現這樣的景象：耀斑照亮星系核心。但這一幕并未發生。最新模擬揭示了恒星靠近超大質量

黑洞時，究竟是哪些因素在左右最終結果。

2014 年，一個名為 G2 的神秘云狀天體，悄然近距離掠過銀河系中心的超大質量黑洞 —— 人馬座 A*（Sag A*）。天文學家一度十分興奮，因為他們推測 G2 可能會被人馬座 A * 強大的引力徹底撕裂。但這一幕并未發生，這場天文事件最終淪為一場宇宙級的 “啞炮”。G2從黑洞旁擦身而過，在近距離飛掠中幸存，并沿著一條縮短后的軌道繼續運行。多項觀測結果表明，它并非單純的氣體云，而更可能是一顆包裹在塵埃云里的原恒星天體，亦或是多顆恒星合并形成的天體。

倘若 G2 與人馬座 A * 直接相撞，當天體被撕裂、物質被加熱產生“耀斑”時，天文學家或許能捕捉到照亮整個星系的壯麗奇觀。盡管這一切并未成真，但這類“耀斑”活動或許能解釋：為何嵌于星系中的超大質量黑洞自身不發光，卻能照亮黑暗宇宙？

美國雪城大學與瑞士蘇黎世大學的天文學家開展的一項新研究，通過計算機模擬揭示了黑洞引發恒星毀滅并產生“耀斑”活動的機制。高分辨率計算機模型顯示，當一顆恒星被卷入超大質量黑洞周圍的死亡螺旋軌道時，會被徹底撕裂。恒星殘骸最終會在黑洞周圍的吸積盤中如同 “水流匯入下水道” 般盤旋，殘骸相互碰撞產生的摩擦使其溫度急劇升高并發出強光，亮度往往超過整個宿主星系。這類被稱為 “潮汐撕裂事件（tidal disruption events，TDEs）” 的碰撞現象，確實能夠點亮星系。然而世界上沒有兩片相同的樹葉，也沒有兩次潮汐撕裂事件完全相同，該研究團隊的模擬正是試圖解釋其中緣由。

超大質量黑洞撕裂恒星的藝術想象圖 —— 約一半恒星殘骸被拋回太空，剩余部分則在黑洞周圍形成發光的吸積盤。（圖片來源：DESY, Science Communication實驗室）

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解密潮汐撕裂事件：探索黑洞的關鍵窗口

雪城大學物理學助理教授Eric Coughlin表示，潮汐撕裂事件是深入研究人馬座 A*與其他星系中的超大質量黑洞的少數途徑之一。Coughlin稱：“我們可以通過研究潮汐撕裂事件，揭開隱匿黑洞的更多奧秘。” 這一研究至關重要，因為許多超大質量黑洞難以直接觀測。從地球視角來看，我們銀河系的人馬座 A * 就被氣體和塵埃云遮擋，天文學家不得不借助 X 射線、射電和紅外望遠鏡對其進行觀測。

每一次潮汐撕裂事件都有獨特的 “活動指紋”：亮度攀升速度、峰值出現時間、衰減周期均不相同。為還原這一過程，研究團隊采用光滑粒子流體動力學方法（可簡單理解為，遵循與管道內水流運動相同的基本方程）。本次模擬動用了數百億個粒子來建模被撕裂恒星的氣體，還原恒星被撕碎后的演化過程。結果顯示，恒星殘骸并非無序擴散，而是形成狹窄、連貫的氣流，沿固定軌道繞黑洞運行后發生自我碰撞 —— 正是這場碰撞，催生了閃耀寰宇的光芒。

殘骸粒子模型的三維渲染圖，突出展示了由雪城大學物理學教授Eric Coughlin在內的研究團隊所描述的殘骸氣流自交匯現象。（圖片來源：Jean Favre, CSCS; Lucio Mayer and Noah Kubli, University of Zurich）

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黑洞的作用機制

在潮汐撕裂事件中，超大質量黑洞的極強引力是撕裂恒星的核心力量，但同時還有其他因素在起作用：黑洞的質量、自轉速度，以及自轉軸相對于吸積盤中恒星殘骸軌道平面的傾角。這些因素共同決定了“耀斑”的爆發時間、亮度峰值與持續時長。當正在吞噬恒星的黑洞發生自轉時，會擾動其周圍的時空環境，進而產生一種名為節點進動的效應。根據進動強度的不同，恒星殘骸氣流的運行軌跡會發生偏移，最終可能無法形成“耀斑”，或僅產生極其微弱的閃光；在某些情況下，“耀斑”甚至會在殘骸繞黑洞旋轉數圈后才延遲出現。

這一機制，恰好解釋了潮汐撕裂事件的多樣性：有的“耀斑”曇花一現，有的緩慢演變，有的光芒萬丈，有的黯淡微弱。此前學界認為黑洞質量是主因，而新模擬證實：黑洞自轉可能才是造成事件差異的關鍵所在。

未來，魯賓天文臺、南希?格蕾絲?羅曼天文臺等設備將對潮汐撕裂事件和超大質量黑洞開展更精準觀測，進一步驗證該模擬結果，幫助人類破解遙遠星系黑洞的終極奧秘。

責任編輯：DAIKIN

牧夫新媒體編輯部

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圖片來源：NASA

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