近日，我們中科大的研究團隊發現了黑洞潮汐撕裂恒星事件的全新演化現象（通俗講就是“黑洞吃恒星”），為揭示此類事件破朔迷離的物理過程提供了新的重要線索。這項研究成果發表在國際天文學權威期刊《天體物理雜誌快報》上。作為本發現的核心研究人員，很高興能夠在這裏與大家交流，來回答網友關於黑洞以及本發現的一些有趣問題。



圖：黑洞潮汐撕裂恒星藝術圖。

黑洞不是洞，其實是高度扭曲的時空結構

黑洞碰撞產生引力波、給黑洞拍照片，近年來這些有關黑洞的科學大新聞讓黑洞成為了家喻戶曉的明星天體。黑洞其實並不是洞，它是愛因斯坦廣義相對論所預言的一類特殊的時空結構。

黑洞很簡單純粹，隻需要質量、自旋和電荷三個物理參數就可以完全描述，或者說我們隻要知道黑洞有多重，轉得有多快，帶多少電，它的所有性質也就知道了。科學家詼諧地稱黑洞有“三根毛”。在這三個物理參數中，質量是黑洞相對而言最基本，最好測量的物理量。

天文學家發現在很多星係中心都有一顆超大質量黑洞，比如在我們銀河係中心就有一個大約四百萬倍太陽那麽重的黑洞。



圖：EHT拍攝到的銀河係中心黑洞的“照片”。

這些超大質量黑洞是如何形成的呢？其實，到目前為止，科學家仍然沒有完全理解清楚。但一般認為，它們誕生之初要小很多，是由較小的“種子黑洞”通過吸積物質或相互合並慢慢長大的。

黑洞具有很多超出常人理解的奇異性質，因此它不僅是物理學家和天文學家探索追尋的研究目標，而且還是公眾特別感興趣的對象，並屢次出現在好萊塢科幻大片中，比如諾蘭執導的《星際穿越》等。

黑洞引力很強，連光都無法逃逸，因此不能直接看到黑洞。但是，通過觀察被黑洞吞進去之前垂死掙紮的物質發出的光，我們可以間接觀測黑洞。這些物質因為角動量守恒，會在黑洞周圍形成一個吸積盤，盤裏的物質在旋進過程中通過摩擦，把引力勢能轉為電磁輻射，從而被我們看到。



圖：電影《星際穿越》中的黑洞形象。

如果大家還是不能想象，建議看一下《星際穿越》這部電影裏麵展示的吸積盤，它是耗費了大量的計算機資源，在實驗室用計算機模擬出來的非常接近真實的例子。吸積盤發出的光有多強，取決於黑洞進食的速度有多快，極端情況下，它比整個星係千億顆恒星加在一起的總光度還要高，比如大名鼎鼎的類星體，就是這樣一類天體。

什麽是黑洞潮汐撕裂恒星事件？

黑洞的引力場很強，毫不誇張地說就像一頭超級怪獸，它能夠吸引和吞噬周圍所有靠近它的物質，而且吃進後半點殘渣都不會吐出來，也不會排泄，因此它每吃一點，就長大一點。

當恒星由於各種原因靠近黑洞的時候，它的末日就要來了。但通常恒星不會被黑洞一口吞進去，而是先在潮汐力的作用下被拉成細麵條狀（見下圖），然後被黑洞慢慢享用。吞噬的全過程一般能持續數月到數年，這就是所謂的黑洞潮汐撕裂恒星事件（TDE）。



圖：黑洞潮汐撕裂恒星藝術圖。

星係中的物質有多種，除了像我們太陽一樣的恒星，還有彌漫的星際介質（氣體、塵埃），這些都可以作為黑洞的食物來源。其實，黑洞的主食是氣體，一般每隔幾萬年才有幸加餐一次恒星，但每次加餐都能讓黑洞大快朵頤。

但是黑洞整個進食的細節是如何發生的，目前我們還知之甚少，這次研究就是在窺探黑洞捕食具體過程方麵獲得了重要的新線索。

我們這次究竟發現了什麽不尋常的現象？

當TDE發生時，黑洞周圍也會形成一個吸積盤，雖然最亮的時候，它的光度可以和類星體比擬，但是持續的時間要短得多，僅維持幾個月到幾年就幾乎消失殆盡，再加上這類事件很罕見，因此捕捉到它們難上加難。

TDE其實從上世紀七八十年代就被理論預言，但直到九十年代開始才被零星發現，一度進展特別緩慢。有幸的是，最近十年，光學大視場時域巡天迅猛發展，TDE終於無處躲藏，不斷的被發現。截至目前人們已經發現了超過上百例TDE，但由於發現不夠早，盯得不夠緊，觀測不夠充分等等原因，TDE的物理過程和相應的輻射特征我們仍然理解的很不到位。

值得注意的是，先前發現TDE的巡天大多是美國的項目，比如泛星計劃(PanSTARRS)、帕洛馬瞬變源工廠(PTF)、全天自動超新星巡天?(ASAS-SN)、茲維基暫現源設施（ZTF）等。但這種狀況已經正在發生改變，中國科大和中科院紫金山天文台共建的墨子巡天望遠鏡（WFST）就是一個在光學波段發現TDE的利器。它已經於去年9月建成，目前正在開展先導巡天。除此之外，中科院先導專項衛星愛因斯坦探針（EP）也將TDE作為核心科學目標之一，它已經在今年1月發射成功。可以預見，在不久的將來，我們自己國家的設備將在發現TDE方麵做出重要貢獻。



圖：左：墨子巡天望遠鏡（WFST）。右：愛因斯坦探針衛星（EP）。

這次TDE事件在天文暫現源命名係統裏麵叫做AT2023lli，它的早期光學、紫外光變曲線看起來比較古怪，先期有一波亮度增強，有個從未見過的大“鼓包”結構。雖然之前也有一些TDE表現出疑似的類似鼓包，但從未像AT2023lli這麽顯著。

這個“鼓包”如何解釋呢？我們經過詳細研究之後，發現這個鼓包最可能是恒星被撕裂之後產生的殘骸碎流相互之間發生撞擊產生的，其實這是廣義相對論效應導致軌道進動的必然結果。當然，黑洞一次捕獲兩顆恒星的潮汐撕裂雙星事件也不能被完全排除。



圖：AT 2023lli的X射線“間歇性”輻射產生的示意圖。

不僅如此，我們從早期階段就利用美國NASA的雨燕衛星上麵的X射線望遠鏡對其進行監測，一直到光學峰值後期才探測到“間歇性”的X射線輻射，這個現象也非常特殊。

綜合所有觀測特征，我們認為這種現象可以用“恒星殘骸流圓化碰撞，然後吸積再處理的演化框架”去理解，而間歇性X射線光子很可能是從吸積盤的遮蔽物質中泄漏出來的。

這個工作證明，多波段高頻次的觀測對於理解TDE至關重要。WFST在AT2023lli晚期進行了多波段高頻次的監測，證明了其靈敏度優勢（這時候其他小鏡子已經探測不到）。光學輻射起源是目前TDE研究的核心問題，同時的高頻次光學和X射線巡天或許是最有效的解決途徑，期待WFST（尤其高頻深場）與EP的聯合研究。

這顆黑洞有多大，太陽有被黑洞撕裂的風險嗎？

這次觀測到的黑洞距離我們大約有5億光年，質量大約有200萬個太陽那麽大，比銀河係中心黑洞要稍微小一點。每個星係一般幾萬年才會發生一次TDE，而且撕裂的是離黑洞非常近的恒星，我們的太陽距離銀河係中心非常遙遠，所以不用擔心被黑洞撕裂，我們反而更應該關注人類活動對地球生態的影響。