当恒星成为黑洞的猎物:天文学家揭开潮汐扰动事件的神秘面纱

2023年07月21日 13:32 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

宇宙是一个充满暴力的地方,在这里,甚至一颗恒星的生命也会被缩短。当一颗恒星发现自己处于一个"坏"邻居,特别是在一个超大质量黑洞附近时,这种情况就会发生。这些黑洞的质量是太阳的数百万甚至数十亿倍,通常位于安静星系的中心。当恒星靠近黑洞时,它就会受到来自超大质量黑洞的引力牵引,这种牵引力最终会压倒维持恒星完整性的力量。这导致恒星被破坏或摧毁,这一事件被称为潮汐破坏事件(TDE)。

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"恒星被撕裂后,其气体会在黑洞周围形成一个吸积盘。"来自图尔库大学和欧空局芬兰天文中心(FINCA)的博士后研究员亚尼斯-利奥达基斯(Yannis Liodakis)说:"几乎所有波长都能观测到来自吸积盘的明亮爆发,尤其是利用光学望远镜和探测 X 射线的卫星。"

直到最近,研究人员还只知道一些 TDEs,因为能够探测它们的实验并不多。不过,近年来科学家们已经开发出观测更多 TDE 的必要工具。有趣的是,但也许并不太令人惊讶的是,这些观测结果揭示了研究人员目前正在研究的新奥秘。

"利用光学望远镜进行的大规模实验发现,大量的 TDEs 并不产生 X 射线,尽管可以清楚地探测到可见光的爆发。这一发现与我们对 TDEs 中被破坏的恒星物质演化的基本理解相矛盾,"Liodakis 指出。

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在潮汐扰动事件中,一颗恒星移动到足够靠近一个超大质量黑洞的位置,这样黑洞的引力就会使恒星弯曲,直到被摧毁(图 1)。来自被摧毁恒星的恒星物质在黑洞周围形成一个椭圆流(图 2)。气体在环绕黑洞后返回途中撞击黑洞,在黑洞周围形成潮汐冲击(图 3)。潮汐冲击会产生明亮的偏振光爆发,可以用光学和紫外线波长观测到。随着时间的推移,来自被摧毁恒星的气体会在黑洞周围形成一个吸积盘(图 4),并从那里被慢慢拉入黑洞。注:图片比例不准确。图片来源:Jenni Jormanainen

由芬兰天文中心和欧洲南方天文台领导的一个国际天文学家小组在《科学》杂志上发表的一项研究表明,来自TDEs的偏振光可能是解开这个谜团的关键。

在许多TDE中观测到的光学和紫外线爆发可能来自潮汐冲击,而不是黑洞周围X射线明亮吸积盘的形成。这些冲击形成于远离黑洞的地方,因为来自被摧毁恒星的气体在环绕黑洞后返回的途中撞击了自己。在这些事件中,X射线亮吸积盘的形成要晚得多。

"偏振光可以提供有关天体物理系统基本过程的独特信息。我们从TDE测量到的偏振光只能用这些潮汐冲击来解释,"该研究的第一作者Liodakis说。

研究小组在 2020 年底收到了盖亚卫星发出的公共警报,称附近一个星系发生了核瞬变事件,该星系被命名为 AT 2020mot。研究人员随后在图尔库大学所属的北欧光学望远镜(NOT)上对AT 2020mot进行了各种波长的观测,包括光学偏振和光谱观测。在北欧光学望远镜(NOT)上进行的观测尤其有助于促成这一发现。此外,偏振观测也是高中生天文观测课程的一部分。

来自 FINCA 和图尔库大学的博士研究员 Jenni Jormanainen 说:"北欧光学望远镜和我们在研究中使用的偏振计在我们了解超大质量黑洞及其环境的工作中发挥了重要作用。"

研究人员发现,来自AT 2020mot的光学光具有高度偏振,并且随着时间的推移而变化。尽管进行了多次尝试,但没有一个射电或 X 射线望远镜能够在爆发高峰之前、期间甚至数月之后探测到该事件的辐射。"当我们看到AT2020mot的极化程度时,我们立刻想到了从黑洞中喷射出的喷流,就像我们在超大质量黑洞周围经常观测到的那样,黑洞会吸积周围的气体。"图尔库大学和 FINCA 的学院研究员埃利纳-林德弗斯(Elina Lindfors)说。

天文学家小组意识到,这些数据最符合这样一种情况:恒星气体流与自身发生碰撞,并在其围绕黑洞的轨道的近心点和远心点附近形成冲击。然后,冲击会放大恒星流中的磁场并使其有序化,这自然会导致高度偏振光。光学偏振的程度太高,大多数模型都无法解释,而且它还在随时间变化,这就更难解释了。

卡里-科尔约宁(Karri Koljonen)指出:"我们研究的所有模型都无法解释观测结果,只有潮汐冲击模型除外。"

研究人员将继续观测来自TDEs的偏振光,也许很快就会发现更多关于恒星被破坏后发生了什么的信息。

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