一颗恒星离黑洞太近了。 结局并不好

黑洞是将物理学发挥到极限的混杂物体。 最大的那些潜伏在像我们这样的大星系的中心。 它们主宰着银河系的中心,当一颗恒星变得太 close,黑洞强大的引力在吞噬恒星时将恒星撕裂。 即使是最大质量的恒星也无法抗拒。

但是超大质量黑洞 (SMBH) 一开始并没有那么大。 它们通过在很长的时间跨度内吸积物质并与其他黑洞合并而获得巨大的质量。

我们对 SMBH 怎样生长和演化的理解存在很大空白,天体物理学家填补这些空白的一种方法是观察黑洞吞噬恒星的过程。

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众所周知,我们无法直接观察到黑洞,因为连光都无法从黑洞中逃脱。 但是黑洞几乎完全控制了它们周围的环境,当它们按照自己的意愿弯曲附近的物质时,物质会产生跨越多个波长的光奇观。

天文学家拥有强大的工具来观察所有这些光。 其中之一是 NASA 的 NuSTAR, 核光谱望远镜阵列. 这是一架于 2012 年发射的太空望远镜。它观察来自 SMBH 等天体物理源的 X 射线。

NuSTAR 在《天体物理学杂志》上发表的一项新研究中发挥了关键作用。 它的标题是“潮汐中断事件 AT2021ehb:相对论盘反射和盘-日冕系统快速演化的证据。第一作者是加州理工学院研究生 Yuhan Yao。

当黑洞撕裂一颗恒星时 close它被称为 潮汐中断事件 (TDE.) AT2021ehb 是发生在距地球约 2.5 亿光年的星系中的 SMBH 处的 TDE 的名称。 SMBH 的质量大约是太阳的 1000 万倍。 这是第五个最接近的 example 黑洞摧毁恒星的过程,它为天体物理学家提供了利用 NuSTAR 和其他望远镜研究 TDE 的有利机会。

黑洞有时被称为吸积盘的巨大物质盘包围。 这些圆盘是长时间(有时是几千年)形成的气体聚集。 这些圆盘可能有数十亿英里宽,当它们向黑洞旋转时,气体会升温,并可能使整个星系都变得黯然失色。 这些是天体物理学家可以观察到的黑洞,因为没有圆盘和它的光,黑洞只是一个黑洞。

即使圆盘很亮,当黑洞撕裂并吞噬一颗恒星时,TDE 发出的光仍然可见。 TDE 从开始到结束只需几周或几个月的时间,这使它们成为可行的观察目标。 出于显而易见的原因,天体物理学家对他们可以整体观察的事件特别感兴趣。


当这个 TDE 中的黑洞撕裂这颗注定要毁灭的恒星时,X 射线发射出现了延迟但显着的上升。 X 射线表明 TDE 正在黑洞上方称为日冕的结构中产生过热材料。 这就是 NuSTAR 的用武之地。说到太空望远镜,NuSTAR 最擅长详细观察 X 射线,而 AT2021ehb 离我们很近,这为天体物理学家提供了一个绝佳的机会来观察日冕以及黑洞之前恒星物质发生了什么吞噬它。

离黑洞最近的区域是紧密堆积的。 这会将气体加热到极端温度,从原子中剥离电子并产生等离子体。 日冕是由这种十亿度的等离子体构成的。 其形成的确切原因仍在研究中,但它可能与吸积盘中的磁力线有关。 这些线在磁盘的外部区域是可以预测的,但在更近的地方,场线可能会缠结、断裂并重新连接。 这种活动可以极大地加速粒子,以至于它们形成过热的日冕并发射 X 射线。

这张图片说明了磁场线是怎样围绕黑洞排列的。 一项 2022 年的研究表明,黑洞在喷出射流之前会形成日冕。 图片来源:M. Weiss/CfA
这张图片说明了磁场线是怎样围绕黑洞排列的。 一项 2022 年的研究表明,黑洞在喷出射流之前会形成日冕。 图片来源:M. Weiss/CfA

“潮汐破坏事件是一种宇宙实验室,”该研究的合著者、巴尔的摩太空望远镜科学研究所的天文学家 Suvi Gezari 说。 “它们是我们实时观察潜伏在星系中心的巨大黑洞的窗口。”

以前的 2022年研究 自然天文学表明,当黑洞喷出射流时,它会携带来自日冕的物质。 “这听起来合乎逻辑,但关于日冕和喷流是否只是一回事的争论已经持续了 20 年,”该研究的主要作者、天体物理学家马里亚诺·门德斯 (Mariano Méndez) 说。 “现在我们看到它们一个接一个地出现,并且射流是从日冕中出来的。”

但该研究并非基于对 TDE 的观察。 这项研究进一步加深了我们的理解,显示了一颗恒星与太阳系之间的联系 close 黑洞和日冕的形成,黑洞的前身 相对论喷流.

当一颗星星变得太 close 对于黑洞,离黑洞最近的恒星一侧首先被撕裂。 这会破坏恒星的球形并产生一股气流,流向黑洞的吸积盘并开始围绕黑洞旋转。 当物质流绕着洞旋转时,它会与自身发生碰撞。 科学家们认为碰撞会产生冲击波和气体向外流动。 这些流动会发出整个光谱的光,包括紫外线和 X 射线。

这幅插图显示了来自恒星的发光物质流,在被超大质量黑洞吞噬时被撕成碎片。  NASA/JPL-加州理工学院
这幅插图显示了来自恒星的发光物质流,在被超大质量黑洞吞噬时被撕成碎片。 NASA/JPL-加州理工学院

最终,材料稳定下来,它的光发射也平静下来。 恒星被撕裂、材料升温、然后冷却大约需要 100 天。 Zwicky 瞬变设施 (ZTF) 是第一个在 2021 年 3 月 1 日发现 TDE 的设施。然后是 NASA 的斯威夫特天文台和 中子星内部成分探索者 (NICER) 望远镜进行了自己的观察。 它们中的每一个都对不同波长的光更敏感,当它们一起工作时,它们可以提供更完整的复杂天体物理事件图像,如 TDE。

但是在经历了最初的升温再降温之后,意想不到的事情发生了。

在 ZTF 首次发现摧毁恒星的黑洞大约 300 天后,美国宇航局的 NuSTAR 进行了自己的观测。 NuSTAR 发现了热日冕,但科学家们对没有喷流感到惊讶。 日冕通常伴随着来自黑洞两侧的相对论喷流出现。

“我们从来没有见过没有喷流存在的像这样的 X 射线发射的潮汐瓦解事件,这真的很壮观,因为这意味着我们有可能解开导致喷流和产生电晕的原因,”主要作者 Yuhan Yao 说。 “我们对 AT2021ehb 的观察结果与磁场与日冕形成方式有关的观点一致,我们想知道是什么导致磁场变得如此强大。”

研究中的这张图显示了不同天文台在不同波长下检测到的 TDE 的一些光。 顶部面板显示紫外线和光学光在事件开始附近出现尖峰,然后逐渐消失。 但中间面板显示了 NuSTAR 观察到的 X 射线发射峰值(紫色)。热日冕产生了 X 射线发射。 图片来源:Yuhan Yao 等 2022
研究中的这张图显示了不同天文台在不同波长下检测到的 TDE 的一些光。 顶部面板显示紫外线和光学光在事件开始附近出现尖峰,然后逐渐消失。 但中间面板显示了 NuSTAR 观察到的 X 射线发射峰值(紫色)。热日冕产生了 X 射线发射。 图片来源:Yuhan Yao 等 2022 ApJ 937 8个

AT2021ehb 不同于其他观察到的 TDE。 它比任何其他非喷射式 TDE 都要亮。 亮度在 30 keV 处达到峰值,即 3 亿度。 它的亮度使研究人员能够“……获得一系列高质量的 X 射线光谱,包括第一个高达 30 keV 的非喷射 TDE 的硬 X 射线光谱,”作者在他们的论文中写道。

研究中的这个数字显示了 AT2021ehb 比 ZTF 检测到的其他 30 个非喷射 TDE 亮多少。 它比较了所谓的 g 波段的亮度。  g 波段是我们看到的绿色光的光学波长。  y 轴显示绝对幅度,这是一个反对数刻度。 因此,虽然 AT2021ehb 在图表中出现在其他的下方,但它实际上更亮。 图片来源:Yuhan Yao 等 2022 ApJ 937 8
研究中的这个数字显示了 AT2021ehb 比 ZTF 检测到的其他 30 个非喷射 TDE 亮多少。 它比较所谓的 g 波段的亮度。 g 波段是我们看到的绿色光的光学波长。 y 轴表示绝对幅度,它是一个反对数刻度。 因此,虽然 AT2021ehb 在图表中出现在其他的下方,但它实际上更亮。 图片来源:Yuhan Yao 等 2022 ApJ 937 8

光谱中光的复杂行为描绘了这些复杂事件中正在发生的事情。 这项研究将 TDE 与黑洞日冕的形成联系起来,然后最终与它的喷流联系起来。 但这只是一个 TDE,天体物理学家需要对 TDE 进行更多观察,以加深对这三者之间关系的理解。

主要作者 Yao 正在努力寻找更多的 TDE。 只有来自 NuSTAR 等望远镜的更多数据才能加强我们对黑洞、TDE、日冕和喷流的理解。

“我们想尽可能多地找到,”姚说。

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