天文学家发现超大质量黑洞吞噬过往恒星 表现出令人惊讶的特性

麻省理工学院、欧洲南方天文台和其他地方的研究人员使用多个望远镜来观察这个被称为AT2018fyk的事件。令他们惊讶的是，他们观察到，当超大质量黑洞吞噬恒星时，它表现出与更小的、恒星质量的黑洞相似的特性。

2021年5月17日发表在《天体物理学杂志》上的这一结果表明，吸积作用，或者说黑洞在吞噬物质时的演化方式，与它们的大小无关。

“我们已经证明，如果你见过一个黑洞，从某种意义上说，你已经见过它们了，”研究作者Dheeraj "DJ" Pasham说，他是麻省理工学院Kavli天体物理学和空间研究所的研究科学家。“当你向它们扔出一个气体球时，它们似乎都会做或多或少相同的事情。它们在吸积方面是同样的野兽。”

该研究的合著者包括麻省理工学院的首席研究科学家Ronald Remillard 和前研究生Anirudh Chiti 以及欧洲南方天文台、剑桥大学、莱顿大学、纽约大学、马里兰大学、科廷大学、阿姆斯特丹大学和美国宇航局戈达德太空飞行中心的研究人员。

恒星的“唤醒”

当质量约为我们太阳10倍的小型恒星质量黑洞发出一阵光时，这通常是对来自一颗伴星的物质涌入的回应。这种辐射的爆发引发了黑洞周围区域的特定演变。从静止状态开始，黑洞过渡到一个由吸积盘主导的 "软 "阶段，因为恒星物质被拉入黑洞。随着物质流入量的减少，它再次过渡到一个 "硬 "阶段，白热的日冕接管了它。黑洞最终回到稳定的静止状态，整个吸积周期可能持续几周到几个月。

几十年来，物理学家已经在多个恒星质量的黑洞中观察到这种特征性的吸积周期。但是对于超大质量黑洞来说，人们认为这个过程需要太长的时间才能完全捕捉到，因为这些巨大的黑洞通常是“吞食者”，在星系的中心区域缓慢地吞噬气体。

Pasham表示：“在超大质量黑洞中，这一过程通常发生在数千年的时间尺度上。人类无法等待那么长时间来捕捉这样的东西。”

但是，当黑洞经历了突然的、巨大的物质涌入时，整个过程就会加快，例如在潮汐破坏事件中，当一颗恒星足够接近时，黑洞就会以潮汐方式将其撕成碎片。

“在潮汐破坏事件中，一切都很突然，”Pasham说。“你有一大块气体突然被抛向你，黑洞突然被唤醒，它就像，‘哇，有这么多食物--让我吃，，直到它消失’。所以，它在很短的时间内经历了一切。这使我们能够探测人们在恒星质量黑洞中已知的所有这些不同的吸积阶段。”

一个超大质量黑洞的周期

2018年9月，全天域超新星自动观测系统（ASASSN）发现了一个突发耀斑的信号。科学家们随后确定，该耀斑是涉及一个超大质量黑洞的潮汐破坏事件的结果，他们将其标记为TDE AT2018fyk。Wevers、Pasham和他们的同事对这一警讯跃跃欲试，并能够引导多个望远镜，每个望远镜都被训练成绘制紫外线和X射线光谱的不同波段，朝着该系统前进。

该小组利用XMM-牛顿空间望远镜和钱德拉X射线天文台，以及国际空间站上的X射线监测仪器和NICER，以及澳大利亚的射电望远镜，在两年时间里收集数据。

“我们在软状态下捕捉到了黑洞，它的吸积盘正在形成，大部分的发射都在紫外线下，只有很少的X射线，”Pasham说。"然后吸积盘塌陷，日冕变得更强，现在它的X射线非常明亮。最终，没有多少气体可供利用，整体亮度下降，回到无法检测的水平。

研究人员估计，黑洞潮汐性地破坏了一颗与我们的太阳差不多大的恒星。在这个过程中，它产生了一个巨大的吸积盘，直径大约为120亿公里，并排放出气体，他们估计这些气体大约有 40000 Kelvin，或超过7万华氏度。随着吸积盘变得越来越弱，越来越不亮，一个由紧凑的高能X射线组成的日冕取代了黑洞周围的主导阶段，然后最终逐渐消失。

“人们已经知道这种周期发生在恒星质量的黑洞中，这些黑洞只有大约10个太阳质量。现在我们在比它大500万倍的东西中看到了这一点，”Pasham说。

欧洲南方天文台的研究员、主要作者Thomas Wevers表示：“未来最令人兴奋的前景是，这种潮汐破坏事件提供了一个窗口，可以看到非常接近超大质量黑洞的复杂结构的形成，如吸积盘和日冕。研究这些结构如何在恒星毁灭后的极端环境中形成和相互作用，我们有希望开始更好地理解支配其存在的基本物理规律。”

除了表明黑洞以同样的方式经历吸积，无论其大小如何，该结果仅代表了科学家第二次从头到尾捕捉到日冕的形成。

"日冕是一个非常神秘的实体，在超大质量黑洞的情况下，人们已经研究了既定的日冕，但不知道它们何时或如何形成，"Pasham说。"我们已经证明你可以使用潮汐破坏事件来捕捉日冕的形成。我很高兴在未来使用这些事件来弄清楚到底什么是日冕。"