科普贴：黑洞如何吞噬恒星

伤我心太深

译自：NASA，2011年8月24日华盛顿讯——两项刊登在8月25日《自然》杂志上的研究提供了关于从3月底以来一次持续发出X射线的宇宙碰撞的新观点。NASA的雨燕（Swift）卫星率先将天龙座一个新辐射源发出的强烈反常高能耀发通告给了天文学家。
宾州州立大学的天文学教授、雨燕卫星X射线望远镜的科研领军人戴维·巴罗斯（David Burrows）说：“这个源很不可思议地还在发出X射线辐射，可能直到来年亮度还是足以让雨燕卫星观测到。它的行为与我们之前的任何东西都不一样。”

雨燕卫星XRT的位置图将辐射源限制在了一小块天区之内，其中包含有一个位于39亿光年外的暗淡星系。不过将雨燕卫星观测到的事件与该星系联系起来需要进行射电观测，后者说明星系中央存在一个增亮的射电源。使用扩展甚大天线阵以及甚长基线干涉仪（VLBI）对射电源的分析表明，它仍在以超过光速一半的速度膨胀着。大图请点击 无标注大图请点击（图片提供：NRAO/CfA/Zauderer et al.）

天文学家很快就意识到，这个名为雨燕J1644+57的辐射源是一次名副其实的罕见现象的产物——远方星系里苏醒中的蛰伏黑洞在撕扯吞噬一颗恒星。这个星系距离我们很远，该事件发出的光线花费大约39亿年才能抵达地球。
巴罗斯的研究有NASA科学家的参与，其中的重点是雨燕卫星以及其他探测器的X射线和伽玛射线观测，其中包括日本主持的全天X射线成像监视器（Japan-led Monitor of All-sky X-ray Image，MAXI），该仪器安装在国际空间站上。
第二项研究由马萨诸塞州坎布里奇（Cambridge）哈佛—史密松天体物理中心的博士后阿什利·萨乌德尔（Ashley Zauderer）主持，利用包括美国国家射电天文台设在新墨西哥州索科洛（Socorro）的扩展甚大天线阵在内的大量地面射电望远镜检视了这次空前的爆发。
包括银河系在内的大多数星系中央拥有特大型的黑洞，质量相当于太阳的数百万倍。根据新的研究，雨燕J1644+57宿主星系中的黑洞质量可能是银心400万倍太阳质量黑洞的两倍。在恒星落向黑洞的过程中，它被强大的潮汐力撕碎。气体被驱赶进入盘状结构中，螺旋环绕着黑洞运行，并迅速被加热到几百万度。

在辐射源第一次被探测到的3个多月之后，雨燕卫星的X射线望远镜还继续记录着来自雨燕J1644+57的高能耀发。天文学家确信，这一行为代表了特大质量黑洞周围吸积盘中的气体被缓慢消耗。辐射源最早的耀发可能是与盘面的形成对应的，据信这是恒星游荡到过于靠近黑洞的地方并被撕碎所致。大图请点击 无标注大图请点击（图片提供：NASA/Swift/Penn State）

盘面最内缘的气体螺旋落向黑洞，而快速的运动以及磁场造就了一对方向相反的“漏斗”，一些粒子可以从其中逃逸。将物质驱动到光速90%以上的喷流沿黑洞自转轴形成。在雨燕J1644+57这个例子中，恰好有一道喷流指向地球涌来。
萨乌德尔解释说：“当外流的喷流撞击星际介质的时候，就会产生射电辐射。作为比较，X射线产生于更加靠近黑洞的地方，可能是在喷流底部发出的。”
对潮汐瓦解恒星的理论研究表明，它们应该表现为光学或紫外波段的耀发。当迎面观测时，黑洞喷流的亮度和能量会大大增加。这一现象名为相对论性集束效应，它解释了雨燕J1644+57可以在X射线能段观测到并且亮度惊人的原因。

雨燕J1644+57的图象，为雨燕卫星的紫外/光学（以白色与紫色表示）以及X射线望远镜（以黄色与红色表示）数据的合成图。耀发的迹象只在X射线可见，这是2011年3月28日一张曝光3.4小时的影象。大图请点击 无标注大图请点击（图片提供：NASA/Swift/Stefan Immler）

当耀发在3月28日第一次被探测到的时候，它起先很类似于伽玛射线暴的信号，这是一类几乎每天都会发生的短暂高能爆发，经常与遥远宇宙中大质量恒星的死亡以及黑洞的诞生相关。但是随着辐射的继续增亮和再耀发，天文学家意识到，最有可能的解释是类太阳恒星潮汐瓦解的集束辐射。
3月30日，萨乌德尔的小组进行的EVLA观测表明，在雨燕卫星X射线耀发附近一个暗淡的星系中央存在一个增亮的射电源。这些数据给出了第一批确定性的结论，说明星系、射电源以及雨燕卫星观测到的事件是存在关联的。
哈佛大学的天体物理学副教授、射电研究论文的合作者埃多·伯格（Edo Berger）说：“我们的观测表明，射电辐射区仍在以超过光速一半的速度在膨胀。通过回溯膨胀过程，我们可以确认出外流物是与雨燕卫星X射线源同期形成的。”

这张插图分步骤说明了科学家认为产生雨燕J1644+57耀发的事件。大图请点击 无标注大图请点击（图片提供：NASA/Goddard Space Flight Center/Swift）

雨燕卫星于2004年11月发射，由马里兰州格林贝尔特（Greenbelt）的NASA戈达德太空飞行中心管理。它是与宾州州立大学、新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室、弗吉尼亚州杜勒斯（Dulles）的轨道科学公司（Orbital Sciences Corp.）以及来自英国、意大利、德国和日本的国际合作者联合运营的。MAXI由日本宇宙航空研究开发机构运营，它是空间站希望模块的外挂实验之一。