潮汐破裂事件及其对遥远星系中黑洞和恒星的揭示

小乖欢颜僮

艺术家对潮汐破裂事件(恒星被黑洞撕裂)的描绘。贷记:美国国家航空航天局/ CXC /魏斯先生

（）据锡拉丘兹大学：在大多数大型星系的中心存在一个超大质量黑洞(SMBH)。银河系有人马座A*，一颗大部分时间处于休眠状态的SMBH，其质量约为太阳的430万倍。但是如果你更深入地观察宇宙，会发现有更大的SMBHs，其质量可以达到我们太阳质量的数百亿倍。

黑洞通过引力消耗其附近的物体，包括恒星，来增加质量。对于不幸被SMBHs吞噬的恒星来说，这是一个灾难性和破坏性的结局，但对于现在有机会探索星系休眠中心的科学家来说，这是幸运的。

照亮前进的道路

顾名思义，黑洞本身不发光，这使得研究人员很难观察到它们。但是，当一颗恒星足够靠近超大质量黑洞时，它可能会被黑洞巨大的潮汐引力场通过相互作用摧毁，这实际上是地球与月球潮汐相互作用的一个极端例子。

一些被潮汐摧毁的物质落入黑洞，在此过程中形成了一个非常热、非常亮的物质盘。这个过程被称为潮汐中断事件(TDE)，提供了一个可以用强大的望远镜观察和科学家分析的光源。

TDEs相对来说比较罕见——在一个给定的星系中，预计大约每10，000到100，000年发生一次。一般来说，每年都会探测到一打到二十几个TDE，但是随着新技术的出现，像目前正在智利建造的Vera C. Rubin天文台，预计在未来几年将会观测到数百个。

这些强大的天文台扫描夜空中上升和下降的光源，从而“调查”宇宙中随时间变化的天文现象。利用这些巡天，天体物理学家可以对TDEs进行研究，以估计SMBHs及其破坏的恒星的性质。

研究人员试图了解的事情之一是恒星和SMBH的质量。虽然有一种模型已经被经常使用，但是最近开发了一种新的模型，并且正在进行测试。

分析模型的出现

吸积率——或在TDE过程中恒星物质落回SMBH的速率——揭示了恒星和smbh的重要特征，如它们的质量。计算这个的最准确的方法是用数值流体动力学模拟，它使用计算机来分析TDE落雨到黑洞时被潮汐破坏的物质的气体动力学。虽然精确，但这种技术很昂贵，研究人员需要几周到几个月的时间来计算一个TDE。

近几十年来，物理学家设计了分析模型来计算吸积率。这些模型为理解破裂恒星和黑洞的性质提供了一种高效且经济的方法，但其近似的准确性仍存在不确定性。

目前存在一些分析模型，其中最著名的可能是“冻结”近似法；这个名字来源于这样一个事实，即落到黑洞上的碎片的轨道周期是确定的，或者说是“冻结的”，在离黑洞特定的距离处，称为潮汐半径。

这个模型由Lacy，Townes和Hollenbach在1982年提出，然后由Lodato，King和Pringle在2009年进行了扩展，该模型表明大质量恒星的吸积速率在一个时间尺度上达到峰值，这个时间尺度根据恒星的质量从1年到10年不等。这意味着，如果你看着夜空，一个光源可能会在几年的时间尺度内开始变亮，达到峰值，然后随着时间的推移而减弱。

新的前进方向

锡拉丘兹大学物理学教授埃里克·库格林和利兹大学理论天体物理学副教授克里斯·尼克森在2022年提出了一个新模型，简称为CN22模型，它将TDEs的峰值时间尺度确定为恒星属性和黑洞质量的函数。

从这个新模型中，他们恢复了TDE峰的时标和吸积率，这与一些流体动力学模拟的结果一致，但这个模型的更广泛的影响——以及它对更广泛的恒星类型的预测，包括恒星的质量和年龄——还没有完全阐明。

为了在更广泛的背景下更好地描述和理解这一模型的预测，由物理系博士生Ananya Bandopadhyay领导的锡拉丘兹大学研究人员团队进行了一项研究，以分析CN22模型的含义，并针对不同类型的恒星和各种质量的SMBHs进行测试。

该小组的工作已经发表在《天体物理学杂志快报》上。除了主要作者Bandopadhyay之外，合著者还包括库格林、尼克森、物理系的本科生和研究生，以及锡拉丘兹市学区(SCSD)的学生。

SCSD学生的参与是通过锡拉丘兹大学物理学研究(SURPh)项目实现的，这是一个为期六周的带薪实习项目，当地高中生可以与文理学院物理系的师生一起从事前沿研究。

在2022年和2023年的夏天，SCSD的学生与锡拉丘兹的物理学家合作进行计算项目，测试CN22模型的有效性。他们使用一种叫做“恒星天体物理学实验模块”的恒星演化代码来研究恒星的演化。

利用这些剖面，他们比较了“冻结”近似和CN22模型对一系列恒星质量和年龄的吸积率预测。他们还对超大质量黑洞对类太阳恒星的破坏进行了数值流体动力学模拟，以将模型预测与数值获得的吸积率进行比较。

他们的发现

据Bandopadhyay称，研究小组发现，CN22模型与流体动力学模拟非常吻合。此外，也许是最深刻的发现是，TDE中吸积速率的峰值时间尺度对被摧毁的恒星的性质(质量和年龄)非常不敏感，对于像我们的太阳这样被质量为速腾A*的黑洞摧毁的恒星来说，大约是50天。

关于这一结果，最引人注目和令人惊讶的是，“冻结”模型做出了一个非常不同的预测。根据“冻结”模型，同样的TDE会产生一个吸积率，在两年的时间尺度内达到峰值，这与流体动力学模拟的结果明显不符。

Bandopadhyay说:“这推翻了以前持有的关于TDEs工作方式以及完全摧毁一颗恒星可能会产生何种瞬态的概念。”“通过确认CN22模型的准确性，我们证明了这种类型的分析方法可以大大加快推断具有不同质量和年龄的恒星破裂的可观测属性。”

他们的研究也解决了之前的另一个误解。通过澄清完整的TDEs不能超过一个月的时间尺度，他们否定了早期的信念，即它们可以用来解释在多年跨度上达到峰值和衰减的长期光变曲线。

此外，库格林指出，这篇论文验证了峰值回落率实际上独立于被破坏恒星的质量和年龄，几乎完全由SMBH的质量决定，这是一个关键指标，像CN22这样的模型可以帮助研究人员限制smbh的质量。

“如果你测量上升时间，你可以直接窥视超大质量黑洞的属性，这是TDE物理学的圣杯——能够使用TDEs来说一些关于黑洞的事情，”库格林说。

Bandopadhyay承认这篇论文对该领域的影响，并应美国天文学会的邀请，于2024年1月11日在新奥尔良举行的学会第243次会议上介绍了该团队的发现。

展望未来，该团队表示，通过确认CN22模型的准确性，这项研究为研究人员打开了一个窗口，可以对TDEs进行可观测的预测，可以根据现有和即将到来的检测进行测试。通过合作和独创性，锡拉丘兹大学的研究人员正在揭示黑洞物理学的细节，并帮助探索遥远宇宙中曾经无法追踪的领域。