生吞恒星的凶手:超大质量黑洞

新浪科技
2019-01-14

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新浪科技2019-01-14

2019年伊始,天文学家们破获了一起有特殊意义的“宇宙血案”,他们从2014年的“陈年案卷”中发现了新线索,进一步揭示了一个曾经生吞恒星的凶手——超大质量黑洞的庐山真面目。

超大质量黑洞的概念图超大质量黑洞的概念图。中央的超大质量黑洞被一个吸积盘(黄色)所围绕,外部则是尘埃环面(蓝色),两道喷流则从中心区域向外喷射而出。图片来源:ESA/NASA/the AVO project/Paolo Padovani。

作案凶手 饥肠辘辘的黑洞“怪兽”

黑洞是爱因斯坦的广义相对论预言的一类独特的时空结构。现在人们认为,星系中心普遍存在超大质量黑洞——比如我们银河系中心就有一个大约四百万倍太阳质量的黑洞。

这些超大质量黑洞可以称得上是不折不扣的“怪兽”——它们能吞噬一切与之靠近的物体,并释放出巨大的能量,而且可能深刻的影响着整个星系的前世今生。

黑洞通过吞噬周围的物质而逐渐长大,那些物质会在黑洞周围聚集成盘,摩擦生热到极高的温度,发出耀眼的光芒,产生磁场驱动物质在喷流中向外疾驰。图片来源:psu.edu黑洞通过吞噬周围的物质而逐渐长大,那些物质会在黑洞周围聚集成盘,摩擦生热到极高的温度,发出耀眼的光芒,产生磁场驱动物质在喷流中向外疾驰。图片来源:psu.edu

然而,黑洞虽然胃口很大,但它并不总是在进食。大部分时候,它们只是很安静的待在那儿,甚至长时间饥肠辘辘没东西可吃。

那些安静的黑洞怪兽,悄悄的潜伏在星系的中心,令我们很难察觉,除非它们距离很近,我们可以通过黑洞周围的恒星或者气体的运动推测它们的存在,否则就像只“隐形的怪兽”。

恒星潮汐恒星潮汐撕裂事件艺术想象图。当星系中一颗恒星运动足够靠近黑洞,其受到的潮汐力超过自身引力的时候,就会被撕裂瓦解。部分撕碎的物质被黑洞吸积,产生明亮的电磁闪耀。图片来源:NASA/CXC/M.Weiss。

那些潜伏的黑洞并不是一直保持安静,有时候它也会以迅雷不及掩耳之势捕食靠近自己的恒星。不过,黑洞绝不会轻易出手,差不多每隔几万年才忍不住大快朵颐一餐。所谓不鸣则已,一鸣惊人,每次出手它都会奉献一场异常精彩的天文奇观,不禁让人欣赏惊叹。

逐渐浮出水面的“恒星惨案”

星系中的恒星,一般都在安全的轨道上快乐的玩耍。然而总有些不安分的恒星会偏离原先的轨道,一不小心就会游荡到黑洞附近。这时,黑洞就会悄悄的张开它的血盆大口,凭借它强大引力势蕴含的潮汐力将恒星无情撕碎,那些被粉身碎骨的恒星尸体无论如何垂死挣扎,一部分终究会被黑洞吃下去。

落向黑洞的恒星碎片会形成一个短暂的吸积盘,被黑洞细嚼慢咽。整个血案过程一般持续几个月到几年,产生了可被观测的电磁闪耀,辐射的峰值频率在X射线到紫外波段,最大亮度甚至可以和整个星系亿万颗恒星的总亮度不分伯仲。但是在这之后,一切就会回归平静,仿佛什么也没发生。

被扯碎的恒星残骸盘旋着落入黑洞,这个过程会产生大量的热量,有能力发出强烈的光芒。图片来源:ESO被扯碎的恒星残骸盘旋着落入黑洞,这个过程会产生大量的热量,有能力发出强烈的光芒。图片来源:ESO

其实,早在上世纪七八十年代,天体物理学家就已经在理论上预言了这类事件,然而直到九十年代,人们才从历史的存档X射线数据中找到了疑似的案例。

黑洞潮汐撕裂并且吞噬恒星罕见而且稍纵即逝,这个作案特征无疑给捕捉它们的犯罪现场增加了不小的难度,有种“十步杀一人,千里不留行。事了拂衣去,深藏身与名”的剑客作风。

不过这也难不倒观测天文学家们。随着近些年大视场时域巡天项目的蓬勃发展,天网恢恢疏而不漏,这种案例的发现数目正逐步增加。预计未来五到十年更是会进入一个爆发性发展时期,发现数目有望从当下的几十例迅速增加到成百上千例。

有道是,“手莫伸,伸手必被捉”。恒星潮汐撕裂事件为我们探测潜伏的宁静黑洞提供了一个绝佳的机会。借此恒星潮汐撕裂事件,我们不仅可以看到黑洞进餐的过程,帮助理解黑洞吸积的相关物理,而且可以窥探黑洞的庐山真面目。

黑洞无毛定理卡通图。目前理论认为,奥卡姆剃刀会让黑洞简洁到只需要三个参数就可以完全描述:质量,自旋和电荷。图片来源:Dr.Karan Jani on Twitter。黑洞无毛定理卡通图。目前理论认为,奥卡姆剃刀会让黑洞简洁到只需要三个参数就可以完全描述:质量,自旋和电荷。图片来源:Dr.Karan Jani on Twitter。

根据黑洞无毛定理,描述黑洞只需要三个参数,即质量、自旋和电荷(一般认为在天体环境下电荷为中性)。对于处于宁静状态的黑洞,质量和自旋的测量都极其困难。除非距离很近的黑洞,比如银河系中心的黑洞,我们可以通过空间分辨的恒星或者气体运动测量其质量,但对于自旋(即黑洞转的有多快)我们可以说完全束手无策,目前仍然一无所知。

“明星事件”中的新线索,凶手再次露出马脚

而就在最近,科学家们得到了一些很有价值的线索——2019年1月9日,《科学》(Science)上报导了一项利用黑洞吞噬恒星事件作为测量黑洞参数新途径的发现[1]。这个新鲜出炉的工作关注的是一个编号为ASASSN-14li的陈年旧案,它是全天自动化超新星巡天项目(ASAS-SN)于2014年11月首先发现的。

ASASSN-14li可谓是恒星潮汐撕裂案件中的明星,是距离我们最近的案件之一(约2.9亿光年),也是目前探测波段最齐全、研究得最充分的案例。继它最初在光学波段被发现之后,立即被后随的X射线观测探测到,属于同时在光学和X射线波段都有很强辐射的罕见事件。

不仅如此,它还有暂现的射电辐射,可能来自新产生的喷流或者外流与星际介质碰撞的辐射。2016年,中国科学技术大学的王挺贵教授小组,利用NASA的广域红外探测器(WISE)的数据在ASASSN-14li中还首次探测到恒星潮汐撕裂事件的红外回响信号,来自黑洞周围的尘埃吸收高能光子被加热后的再辐射[2]。

因此,这是一例同时在X射线、紫外线、光学、红外线和射电波段都显著探测的事件,是我们多角度全面理解黑洞吞噬恒星过程的理想范本,具有重要的科研价值,国际上对它的X射线监测持续了很长一段时间。

而最新的这项工作,通过仔细分析长期积累的大量X射线数据,竟然发现它带有显著的周期性光变信号!

这种信号一般被称作准周期震荡(简称QPO)。研究者在三个不同的卫星数据里都独立发现了周期为131秒的准周期震荡信号,置信度达到了4个sigma(即真实的概率达到了99.99%)。

ASASSN-14li的Chandra折叠光变曲线,表现出明显的周期性震荡QPO信号,该图来自参考文献[1]ASASSN-14li的Chandra折叠光变曲线,表现出明显的周期性震荡QPO信号,该图来自参考文献[1]

此外,在X射线观测覆盖的450天内,虽然X射线流量一直在衰减,但这个周期性震荡一直没消失,意味着这是一个长时间稳定存在的信号。

在这之前的2012年,同样是《Science》曾经报道另一例案件 SwiftJ1644+57中周期大约200秒的准周期震荡[3],不过它的信号幅度比ASASSN-14li要低很多,持续的时间也更短(仅几周)。而且,ASASSN-14li是一个更加典型的事件,它的X射线辐射来自黑洞吸积,因此更有利于对黑洞性质的研究。

这个工作的领导者是麻省理工学院(MIT)科维里天体物理与空间研究所的博士后Dheeraj Pasham,他是研究黑洞吸积系统准周期性震荡信号的专家,比如2014年他利用这类信号在近邻星系M82中发现了一个约400倍太阳的中等质量黑洞,发表在《Nature》上[4]。

这次Pasham博士把目光聚焦在恒星潮汐撕裂事件上,给本已名声大噪的明星事件ASASSN-14li又添上了浓墨重彩的一笔。

黑洞自旋之谜或被解开

作为黑洞的基本参数,自旋是黑洞的一个重要特征。事实上,我们只要知道了质量和自旋就能完全锁定真凶了。它们就像黑洞作案的两只手,共同完成了这起血案。

黑洞好像能施魔法,转起来的时候能引诱作为食物的恒星靠得它越近。这是因为围绕黑洞转圈的恒星有一个最内稳定轨道,自旋越大,这个轨道的半径就越小。

比如我们在电影《星际穿越》中看到主角们在巨浪星球米勒上的一小时等于地球上的七年,时间膨胀效应如此之大!

这个星球离黑洞卡冈图雅非常近,而这么近都没有被黑洞吞噬,正是因为卡冈图雅是一个自旋非常大的黑洞,米勒运行在它的最内稳定轨道上,可以说就在黑洞的嘴边徘徊。

电影《星际穿越》中的黑洞卡冈图雅。作为黑洞的一个基本参数,自旋会强烈影响黑洞周围的时空结构,我们看到的漂亮的发光结构是黑洞周围的吸积盘被黑洞引力扭曲之后的样子。上图是电影中展现的样子,对应的自旋参数a=0.6,下图是同样的黑洞在a=0.999时的样子[5]。

这次的新发现认为,产生准周期震荡辐射信号的物质就运行在最内稳定轨道上。于是,震荡周期就完全是由黑洞的两只手,质量和自旋,共同操纵的。两只手仿佛紧扣在一起,如果我们能掰开其一,也就抓住了另一只手。

比如,ASASSN-14li中心的黑洞质量由各种经验关系给出的范围介于约60万到1300万倍太阳质量之间,这样我们就能推测自旋(用a表示)大于0.7(见下图)。一般认为天体物理过程的黑洞自旋a不会大于0.998,这样,反过来我们可以推测黑洞质量小于两百万倍太阳质量。

由ASASSN-14li的QPO信号推测的黑洞质量-自旋参数空间图。图中蓝色、紫色和绿色分别对应开普勒轨道频率、垂向本轮频率和 Lense-Thirring进动频率,黑色虚线标注了经验关系推测的黑洞质量范围,辐射区假定在最内稳定轨道(ISCO)。该图来自参考文献[1]

总之,黑洞吞噬恒星过程产生的X射线准周期震荡信号为我们测量黑洞的质量和自旋提供了新可能,这种方法独辟蹊径而且对于宁静黑洞几乎不可替代。

继SwiftJ1644+57之后,这个工作进一步证实了从X射线准周期震荡信号这个角度研究恒星潮汐撕裂事件的可行性。虽然准周期震荡信号在普通的活动星系核中陆续有报道,但它的探测比例非常低。这次的发现可能也算是非常幸运了。

未来即将进入恒星潮汐撕裂事件研究的黄金时代,更多事件的发现将会从统计上给出准周期震荡信号的出现几率。另一方面,这个工作开辟了测量宁静黑洞质量和自旋的新道路,我们有理由对这一领域的未来前景保持期待。

最后,这个工作还给予我们一个启示,即使像ASASSN-14li这种轰动一时的陈年旧案,似乎已经被全方位深入研究过,但仔细研究案卷仍会发现新的重要线索。

Pasham博士等人通过翻看X射线的历史数据,注意到了其中隐藏的准周期震荡信号,从而有望解开黑洞自旋这一重要参数的谜团。对于科学问题,我们永远要保持开阔的思维和穷尽的思索,无意间的一点线索也许就是获得最终真相的关键。

作者名片

参考文献:

[1]http://science.sciencemag.org/content/early/2019/01/08/science.aar7480.full

[2]Jiang, N。, Dou, L。, Wang, T。, et al。 2016, The Astrophysical Journal Letters, 828, L14

[3]Pasham, D。 R。, Strohmayer, T.E。, & Mushotzky, R.F。 2014, Nature, 513, 74

[4]Reis, R。 C。, Miller, J。 M。, Reynolds, M。 T。, et al。 2012, Science, 337, 949

[5]James, O。, von Tunzelmann, E。, Franklin, P。, & Thorne, K。 S。 2015, Classical and Quantum Gravity, 32, 065001

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