被黑洞撕碎的恒星的最终命运

如果星星(红色轨迹)也游荡 close 到黑洞(左),它可以被强烈的引力撕碎或意大利面条。 恒星的一些物质围绕黑洞旋转,就像排水管中的水一样,释放出大量的 X 射线(蓝色)。 最近对这些所谓的潮汐破坏事件的研究表明,恒星的很大一部分气体也被黑洞的强风吹出,在某些情况下,形成了一个云,遮住了吸积盘和发生在吸积盘内的高能事件. 图片来源:NASA/CXC/M。 魏斯

2019 年,天文学家观测到最近的 example 迄今为止,一颗在接近之后被切碎或“意大利面条化”的星星 close 到一个巨大的黑洞。

质量比自身大 100 万倍的黑洞对类太阳恒星的潮汐破坏发生在距离地球 2.15 亿光年的地方。 幸运的是,这是第一个足够亮的事件,加州大学伯克利分校的天文学家可以研究恒星死亡的光学光,特别是光的偏振,以了解更多关于恒星被撕裂后发生的事情。

他们在 2019 年 10 月 8 日的观察表明,恒星的许多物质以高达每秒 10,000 公里的高速被吹走,并形成了一个球形气体云,阻挡了大部分高能排放物,因为黑洞吞噬了恒星的其余部分。

早些时候,对来自爆炸的光学光的其他观测,称为 AT2019qiz,显示恒星的大部分物质是在强风中向外发射的。 但是关于光偏振的新数据,当事件最亮时,在可见光或光学波长下基本上为零,它告诉天文学家云很可能是球对称的。

加州大学伯克利分校天文学教授、研究小组成员亚历克斯·菲利彭科说:“这是第一次有人推断出潮汐般的恒星周围气体云的形状。”

这些结果支持了为什么天文学家在迄今为止观察到的数十个潮汐破坏事件中没有看到高能辐射(例如 X 射线)的一个答案:X 射线是由从恒星撕裂的物质产生的并在向内坠落之前被拖入黑洞周围的吸积盘中,被黑洞强风吹出的气体遮住了视线。

该研究的主要作者、加州大学伯克利分校的研究生 Kishore Patra 说:“这一观察结果排除了理论上提出的一类解决方案,并为我们对黑洞周围气体的变化提供了更强的约束。” “人们已经看到了这些事件产生的风的其他证据,我认为这项极化研究肯定会使这一证据更有力,因为如果没有足够的风量,你将无法获得球面几何形状。有趣的事实这是恒星中向内旋转的大部分物质最终不会落入黑洞——而是被从黑洞中吹走的。”

极化揭示对称性

许多理论家假设恒星碎片在破碎后会形成一个偏心、不对称的圆盘,但预计偏心圆盘会显示出相对较高的偏振度,这意味着可能有百分之几的总光是偏振的。 在这次潮汐破坏事件中没有观察到这一点。

“超大质量黑洞能做的最疯狂的事情之一就是通过其巨大的潮汐力撕碎一颗恒星,”团队成员、加州大学伯克利分校天文学助理教授卢文斌说。 “这些恒星潮汐破坏事件是天文学家了解星系中心存在超大质量黑洞并测量其特性的极少数方式之一。然而,由于数值模拟此类事件的计算成本极高,天文学家仍然不了解潮汐中断后的复杂过程。”

11 月 6 日,即 10 月观测后 29 天的第二组观测显示,光线非常轻微地偏振,约为 1%,这表明云层已经变薄,足以揭示黑洞周围的不对称气体结构。 这两项观测都来自加利福尼亚州圣何塞附近的利克天文台的 3 米 Shane 望远镜,该望远镜配备了 Kast 光谱仪,该仪器可以确定整个光谱中光的偏振。 当光在气体云中散射出电子时,光变得偏振——它的电场主要在一个方向上振动。

“吸积盘本身足够热,可以在 X 射线中发射大部分光,但这些光必须穿过这片云,并且在它能够逃出这片云之前,有许多光的散射、吸收和重新发射,”帕特拉说。 “在每一个过程中,光都会失去一些光子能量,一直下降到紫外线和光能。最终的散射决定了光子的偏振状态。因此,通过测量偏振,我们可以推断出几何形状最终散射发生的表面。”

帕特拉指出,这种临终情景可能只适用于正常的潮汐破坏——而不是“奇怪的球”,其中相对论性的物质射流被驱逐出黑洞的两极。 只有对来自这些事件的光的偏振进行更多测量才能回答这个问题。

“极化研究非常具有挑战性,世界上很少有人精通该技术来利用它,”他说。 “因此,这是潮汐破坏事件的未知领域。”

Patra、Filippenko、Lu 和加州大学伯克利分校研究员 Thomas Brink、研究生 Sergiy Vasylyev 和博士后研究员 Yi Yang 在一篇论文中报告了他们的观察结果,该论文已被《皇家天文学会月刊》杂志接受发表。

比地球轨道大 100 倍的云

加州大学伯克利分校的研究人员计算出,偏振光是从半径约为 100 个天文单位 (au) 的球形云的表面发出的,它距恒星的距离是地球距太阳的 100 倍。 从大约 30 au 的区域发出的热气体发出的光辉。

2019 年的光谱偏振观测(一种测量多种光波长偏振的技术)属于 AT2019qiz,这是一个位于波江座螺旋星系中的潮汐破坏事件。 10 月份整个光谱的零偏振表明存在球对称的气体云——所有偏振光子相互平衡。 11 月测量值的轻微极化表明存在小的不对称性。 因为这些潮汐扰动发生在很远的地方,在遥远星系的中心,它们看起来只是一个光点,偏振是物体形状的少数迹象之一。

“这些破坏事件是如此遥远,以至于你无法真正解决它们,因此你无法研究事件的几何形状或这些爆炸的结构,”Filippenko 说。 “但研究偏振光实际上有助于我们推断出一些关于爆炸中物质分布的信息,或者在这种情况下,这个黑洞周围的气体——可能还有吸积盘——是怎样形成的。”