中科大发现不寻常的“黑洞吃恒星”事件 怎么个吃法？

近日，我们中科大的研究团队发现了黑洞潮汐撕裂恒星事件的全新演化现象（通俗讲就是“黑洞吃恒星”），为揭示此类事件破朔迷离的物理过程提供了新的重要线索。这项研究成果发表在国际天文学权威期刊《天体物理杂志快报》上。作为本发现的核心研究人员，很高兴能够在这里与大家交流，来回答网友关于黑洞以及本发现的一些有趣问题。

图：黑洞潮汐撕裂恒星艺术图。

黑洞不是洞，其实是高度扭曲的时空结构

黑洞碰撞产生引力波、给黑洞拍照片，近年来这些有关黑洞的科学大新闻让黑洞成为了家喻户晓的明星天体。黑洞其实并不是洞，它是爱因斯坦广义相对论所预言的一类特殊的时空结构。

黑洞很简单纯粹，只需要质量、自旋和电荷三个物理参数就可以完全描述，或者说我们只要知道黑洞有多重，转得有多快，带多少电，它的所有性质也就知道了。科学家诙谐地称黑洞有“三根毛”。在这三个物理参数中，质量是黑洞相对而言最基本，最好测量的物理量。

天文学家发现在很多星系中心都有一颗超大质量黑洞，比如在我们银河系中心就有一个大约四百万倍太阳那么重的黑洞。

图：EHT拍摄到的银河系中心黑洞的“照片”。

这些超大质量黑洞是如何形成的呢？其实，到目前为止，科学家仍然没有完全理解清楚。但一般认为，它们诞生之初要小很多，是由较小的“种子黑洞”通过吸积物质或相互合并慢慢长大的。

黑洞具有很多超出常人理解的奇异性质，因此它不仅是物理学家和天文学家探索追寻的研究目标，而且还是公众特别感兴趣的对象，并屡次出现在好莱坞科幻大片中，比如诺兰执导的《星际穿越》等。

黑洞引力很强，连光都无法逃逸，因此不能直接看到黑洞。但是，通过观察被黑洞吞进去之前垂死挣扎的物质发出的光，我们可以间接观测黑洞。这些物质因为角动量守恒，会在黑洞周围形成一个吸积盘，盘里的物质在旋进过程中通过摩擦，把引力势能转为电磁辐射，从而被我们看到。

图：电影《星际穿越》中的黑洞形象。

如果大家还是不能想象，建议看一下《星际穿越》这部电影里面展示的吸积盘，它是耗费了大量的计算机资源，在实验室用计算机模拟出来的非常接近真实的例子。吸积盘发出的光有多强，取决于黑洞进食的速度有多快，极端情况下，它比整个星系千亿颗恒星加在一起的总光度还要高，比如大名鼎鼎的类星体，就是这样一类天体。

什么是黑洞潮汐撕裂恒星事件？

黑洞的引力场很强，毫不夸张地说就像一头超级怪兽，它能够吸引和吞噬周围所有靠近它的物质，而且吃进后半点残渣都不会吐出来，也不会排泄，因此它每吃一点，就长大一点。

当恒星由于各种原因靠近黑洞的时候，它的末日就要来了。但通常恒星不会被黑洞一口吞进去，而是先在潮汐力的作用下被拉成细面条状（见下图），然后被黑洞慢慢享用。吞噬的全过程一般能持续数月到数年，这就是所谓的黑洞潮汐撕裂恒星事件（TDE）。

图：黑洞潮汐撕裂恒星艺术图。

星系中的物质有多种，除了像我们太阳一样的恒星，还有弥漫的星际介质（气体、尘埃），这些都可以作为黑洞的食物来源。其实，黑洞的主食是气体，一般每隔几万年才有幸加餐一次恒星，但每次加餐都能让黑洞大快朵颐。

但是黑洞整个进食的细节是如何发生的，目前我们还知之甚少，这次研究就是在窥探黑洞捕食具体过程方面获得了重要的新线索。

我们这次究竟发现了什么不寻常的现象？

当TDE发生时，黑洞周围也会形成一个吸积盘，虽然最亮的时候，它的光度可以和类星体比拟，但是持续的时间要短得多，仅维持几个月到几年就几乎消失殆尽，再加上这类事件很罕见，因此捕捉到它们难上加难。

TDE其实从上世纪七八十年代就被理论预言，但直到九十年代开始才被零星发现，一度进展特别缓慢。有幸的是，最近十年，光学大视场时域巡天迅猛发展，TDE终于无处躲藏，不断的被发现。截至目前人们已经发现了超过上百例TDE，但由于发现不够早，盯得不够紧，观测不够充分等等原因，TDE的物理过程和相应的辐射特征我们仍然理解的很不到位。

值得注意的是，先前发现TDE的巡天大多是美国的项目，比如泛星计划(PanSTARRS)、帕洛马瞬变源工厂(PTF)、全天自动超新星巡天?(ASAS-SN)、兹维基暂现源设施（ZTF）等。但这种状况已经正在发生改变，中国科大和中科院紫金山天文台共建的墨子巡天望远镜（WFST）就是一个在光学波段发现TDE的利器。它已经于去年9月建成，目前正在开展先导巡天。除此之外，中科院先导专项卫星爱因斯坦探针（EP）也将TDE作为核心科学目标之一，它已经在今年1月发射成功。可以预见，在不久的将来，我们自己国家的设备将在发现TDE方面做出重要贡献。

图：左：墨子巡天望远镜（WFST）。右：爱因斯坦探针卫星（EP）。

这次TDE事件在天文暂现源命名系统里面叫做AT2023lli，它的早期光学、紫外光变曲线看起来比较古怪，先期有一波亮度增强，有个从未见过的大“鼓包”结构。虽然之前也有一些TDE表现出疑似的类似鼓包，但从未像AT2023lli这么显著。

这个“鼓包”如何解释呢？我们经过详细研究之后，发现这个鼓包最可能是恒星被撕裂之后产生的残骸碎流相互之间发生撞击产生的，其实这是广义相对论效应导致轨道进动的必然结果。当然，黑洞一次捕获两颗恒星的潮汐撕裂双星事件也不能被完全排除。

图：AT 2023lli的X射线“间歇性”辐射产生的示意图。

不仅如此，我们从早期阶段就利用美国NASA的雨燕卫星上面的X射线望远镜对其进行监测，一直到光学峰值后期才探测到“间歇性”的X射线辐射，这个现象也非常特殊。

综合所有观测特征，我们认为这种现象可以用“恒星残骸流圆化碰撞，然后吸积再处理的演化框架”去理解，而间歇性X射线光子很可能是从吸积盘的遮蔽物质中泄漏出来的。

这个工作证明，多波段高频次的观测对于理解TDE至关重要。WFST在AT2023lli晚期进行了多波段高频次的监测，证明了其灵敏度优势（这时候其他小镜子已经探测不到）。光学辐射起源是目前TDE研究的核心问题，同时的高频次光学和X射线巡天或许是最有效的解决途径，期待WFST（尤其高频深场）与EP的联合研究。

这颗黑洞有多大，太阳有被黑洞撕裂的风险吗？

这次观测到的黑洞距离我们大约有5亿光年，质量大约有200万个太阳那么大，比银河系中心黑洞要稍微小一点。每个星系一般几万年才会发生一次TDE，而且撕裂的是离黑洞非常近的恒星，我们的太阳距离银河系中心非常遥远，所以不用担心被黑洞撕裂，我们反而更应该关注人类活动对地球生态的影响。