黑洞“潮汐撕裂事件”和伽瑪射線脈衝

黑洞“潮汐撕裂事件”和伽瑪射線脈衝

上世紀60年代，美國發射了一顆探測伽馬射線的軍用衛星，主要用於監視蘇聯和中國進行核試驗，因為核武器爆炸時必定會產生大量的伽馬射線。1967年這顆衛星探測到神秘的伽馬射線脈衝，每天一至兩次，時間完全隨機，強度可以超過全天伽馬射線的總和，來源並不在地球上，而來是宇宙深空。由於保密的原因，關於伽馬射線脈衝的首批觀測資料直到1973年才予公開發表。此後觀察研究宇宙中伽馬射線脈衝成為天文物理的一個重要分支。

2011年3月28日淩晨，全球一些天文學家團隊的傳呼機和手機都收到了告急通知。斯威夫特（Swift）衛星剛剛探測到了來自空間深處的高能輻射脈衝。斯威夫特是由美國宇航局與意大利和英國的研究機構合作研製的一款高靈敏的太空望遠鏡，用於研究天空中各種類型的天體爆炸。但它的主要目標是伽馬射線脈衝，簡稱伽馬暴（Gamma Ray Burst,縮寫GRB），此類宇宙中最強的高能射線都與星球災難性爆炸事件有關。每當大量伽馬射線通過斯威夫特的傳感器時，望遠鏡就會迅速重新定位，並立刻通知地球上各相關天文站協同跟蹤觀察。

自2004年升空以來，斯威夫特已經發現了1000多個伽馬暴，但是2011年3月28日的這個伽馬暴——後來被稱為Swift J1644+57——被證明與之前看到的完全不一樣，它終將成為重大的天文學事件被紀錄下來。

顧名思義，伽馬暴應該是短暫的事件，通常持續時間在幾分之一秒到幾分鍾之間。2011年3月28日早上當望遠鏡轉向 J1644+57，天文學家預計也隻會看到標準的伽馬暴，即短暫的伽馬射線脈衝和迅速消亡的電磁幅射餘輝。但事實相反，觀察到的是持續了一天的明亮而不穩定的伽馬射線耀斑，接著是強烈的x射線輻射，持續數月之後才漸漸衰落。

這次伽馬暴發生在天龍座中的一個小星係，距離地球約38億光年。加州大學伯克利分校的科學家 Joshua S. Bloom 認為世人目睹了“潮汐撕裂事件”全程實況直播，他還正確地預測了這個特定的伽馬射線源可以在該星係的中心找到，那裏就是超大質量黑洞的所在地。

每個星係的中心——包括我們的銀河係——都有黑洞存在，黑洞巨大的引力對星係的結構和運動起著決定性的作用。黑洞就是一個超大質量壓縮成極小體積的天體，它的周圍時空曲率無限大就連光也不能逃脫，因此被稱為黑洞。

黑洞雖然無法直接觀察，但是黑洞巨大的引力會吸入周圍的星體，就像猛獸吞噬無辜的小動物，這時往往會暴露出猙獰的麵目。有道是：星係有奇洞，鎖在塵埃中。尋常看不見，偶爾露崢嶸。

黑洞“偶爾露崢嶸”發生在吞食過路恒星的特定事件中。在這過程中黑洞的脾氣極差，吃相難看，張牙舞爪，把捕獲物撕裂吞嚼，也讓人們對黑洞的本性有了更多更深的了解。天文學家把這種特定事件稱為：“潮汐撕裂事件”（Tidal Disruption Event，縮寫TDE）這裏使用“潮汐”這詞是有其道理的，黑洞撕裂分解恒星的力學機製與月球造成地球潮汐沒有任何區別，它們都是引力場在球體上的不均勻分布而導致的潮汐力所決定的。關於潮汐力的起因和相關物理現象分析將另作專文詳述。

圖一是“潮汐撕裂事件”的示意圖。該圖印象地顯示出了一顆太陽大小的恒星（左下角）不幸被質量為百萬個太陽之巨的黑洞（中間黑斑）捕獲、撕裂、吞食的全過程。這顆可憐的恒星是被黑洞巨大的潮汐力撕裂的（發生在圓軌道的頂端），被撕裂的恒星碎片會展開，並逐漸與恒星的原始軌道相分離。在潮汐力的作用下，大約一半的碎片會被拋離黑洞進入宇宙空間，而另一半將循環回來形成吸積盤，成螺旋環的形狀被黑洞吞食。

 P1)黑洞“潮汐撕裂事件”示意圖。

恒星的碎片在吸入黑洞過程中會被加速到接近光速，它們在引力壓縮和相互摩擦中會加熱到25萬攝氏度以上，輻射的能量比百萬個太陽還亮。這種恒星有點像悲劇中的英雄，在走向自已生命終點時，它會有最後一次的奮搏和爆發，這是恒星為自己的葬禮獻上的最為淒美的禮花。“鳥之將死，其鳴也哀；星之將亡，其形亦美。”恒星歸葬時的禮花在天空中可維持一個星期或數月之久。

“潮汐撕裂事件”會產生伽瑪暴，因為黑洞本身的旋轉在其附近空間引成強磁場，被高速吸入的部分恒星氣體在磁場作用下沿著黑洞自旋軸方向加速彈出，引成準直粒子束（Particle Jet），速度幾乎接近光速，它們向宇宙空間射出伽馬射線和X射線[1]。應該指出，不是所有“潮汐撕裂事件”都強烈到產生準直粒子束，即使產生了粒子束但方向不朝向我們地球也是白搭。本文開始提及的斯威夫特發現的Swift J1644+57 伽馬暴就是一個難得的好機會、好例證，它讓我們看到了發生在38億光年外的小星係中心的“潮汐撕裂事件”的全過程。

雖然理論物理學家幾十年前就預期會有“潮汐撕裂事件”發生，但直到二十一世紀初，天文學家都沒有直接觀察到這種天文現象。首先是觀察上的問題，簡單的理論模型表明，“潮汐撕裂事件”的吸積盤的輻射集中在軟x射線和遠紫外線部分，這部分電磁輻射會受到星際塵埃和地球大氣層的幹擾，很難被地麵設備觀察到。另一個原因是由“潮汐撕裂事件”的稀少性所造成的，據估計，它們在像銀河係這樣規模的星係中每10萬年才出現一次。

“潮汐撕裂事件”的發生取決於恒星和黑洞的大小。一個小而密集的恒星如白矮星，它對潮汐力的抵抗力就要超過大而蓬鬆的恒星，這就像一個保齡球比一團棉花糖更難被撕裂。那些擁有數十億太陽質量的黑洞，引力實在太大了，恒星來不及撕裂已被黑洞一口吞下，連一點殘渣都沒有剩下，當然也就不會有“潮汐撕裂事件”。“潮汐撕裂事件”發生的條件是：數百萬太陽質量的黑洞，有正常恒星進入其周圍大約5000萬公裏空間——大概是水星與太陽之間的距離。

天文學常識告訴我們，每個恒星都有行星伴隨。當恒星進入“潮汐撕裂事件”，它的伴隨行星的結局可想而知，“覆巢之下，焉有完卵。”除了灰飛煙滅還能有什麽好下場？好在我們太陽係位於銀河星係的邊緣，遠離銀河係中心的黑洞，真是謝天謝地。看來不僅做人要低調，做星也要避開是非中心。遠離星係中心不僅是為了減少被黑洞撕裂吞食的機率，而且也可降低由此引發的伽馬暴的傷害。有研究指出，地球上最早的生物物種大滅絕可能與伽馬暴傷害有關。由此更應關注愛護我們美麗的家園、更應珍惜生命，在暴力肆虐的宇宙中地球生命圈能夠存在和維持到現在實在也是一個奇跡。

觀察和研究“潮汐撕裂事件”對深入了解黑洞有著極高的價值，黑洞強大的引力使得任何電磁輻射無法洩漏，它把自己包裹得嚴嚴實實，不露一絲聲色。黑洞隻在“潮汐撕裂事件”時“偶而露崢嶸”，在這個過程中我們得以估計出它的質量、幾何尺寸以及有關的動力學特征。同時有必要指出，“潮汐撕裂事件”對於研究遙遠星係中的恒星構造也有重要的意義。

現在有了工作在各種波段的天文望遠鏡，天文學家可以觀察紀錄伽馬射線、X射線、可見光和微波等等，歸根結底這些都是各種波長的電磁輻射，詳見圖二。而太空望遠鏡又能讓天文學家避開大氣的幹涉進行觀察。這些現代化的高新技術正在加速推進對“潮汐撕裂事件”的研究。

 P2)電磁輻射波譜。伽馬射線是原子核能級躍遷蛻變時釋放出的射線，是波長短於0.01埃的電磁波。它具有極強的穿透力。

由於中國科學家的努力，對黑洞的觀察研究如今又增添了更新的技術手段。去年升空的天宮二號搭載了中國科學院，瑞士保羅謝爾研究所，瑞士日內瓦大學聯合研製的伽馬暴探測設備，著重測量宇宙中伽馬射線的偏振狀態。今年6月15日中國又成功發射硬X射線調製望遠鏡HXMT（Hard X-ray Modulation Telescope），HXMT比斯威夫特及其它國外X光太空望遠鏡具有更強大的成像能力和更好的空間分辨本領，它將實現空間硬X射線高分辨巡天，以發現更多的天體高能輻射新現象。期待這些中國的高新技術手段在黑洞及其它高能天文物理的探索研究中作出重大貢獻。

 P3) 中國硬X射線調製望遠鏡HXMT。

 

本文首發於 《科學畫報》 2017年11期

 

[1]“潮汐撕裂事件”中伽馬射線的產生原因是黑洞周圍存在強磁場。人們早已預言黑洞周圍存在磁場，而且於2015年被MIT的科學家用實驗證實。恒星碎片中的質子和中子在黑洞強磁場作用下在原子核內躍遷，輻射出高能伽馬射線。