天文學家發現隱藏在塵埃星係中的撕碎恒星的黑洞

天文學家觀察黑洞恒星盛宴

麻省理工學院、哥倫(lun) 比亞(ya) 大學等地的天文學家利用美國宇航局的詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST）透過附近星係的塵埃，觀察黑洞恒星盛宴的後果。

在今天發表在《天體(ti) 物理學雜誌快報》上的一項研究中，研究人員報告稱，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡首次觀測到幾次潮汐瓦解事件——星係中心的黑洞吸入附近的恒星，並產(chan) 生潮汐力，將恒星撕裂，在此過程中釋放出巨大的能量。

自20世紀90年代以來，科學家們(men) 觀測到了大約100次潮汐瓦解事件（TDE），其中大部分是以X射線或可見光的形式掠過相對無塵埃的星係。但正如麻省理工學院的研究人員最近 報告的那樣，宇宙中可能還有更多恒星撕裂事件“隱藏”在塵埃更多、氣體(ti) 覆蓋的星係中。

在之前的工作中，研究小組發現，潮汐瓦解事件發出的大部分X射線和可見光會(hui) 被星係塵埃遮蔽，因此傳(chuan) 統的X射線和光學望遠鏡無法觀測到。但同樣的光線可以加熱周圍的塵埃，並以紅外光的形式產(chan) 生新的信號。

現在，同樣的研究人員利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）——世界上最強大的紅外探測器——研究了來自四個(ge) 塵埃星係的信號，他們(men) 懷疑這些星係發生了潮汐瓦解事件。在塵埃中，JWST 探測到了黑洞吸積的清晰痕跡。吸積是物質（例如恒星碎片）繞行並最終落入黑洞的過程。該望遠鏡還探測到了與(yu) 活動星係周圍塵埃截然不同的模式，在活動星係中，中心黑洞不斷吸收周圍的物質。

綜合起來，這些觀測證實了這四個(ge) 星係確實發生了潮汐瓦解事件。此外，研究人員得出結論，這四次事件並非由活躍黑洞引起，而是休眠黑洞，它們(men) 在一顆恒星偶然經過之前幾乎沒有活動。

新結果凸顯了詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在深入研究原本難以發現的潮汐瓦解事件方麵的潛力。它們(men) 也有助於(yu) 科學家揭示活躍黑洞和休眠黑洞周圍環境的關(guan) 鍵差異。

“這是詹姆斯·韋伯太空望遠鏡首次觀測到潮汐瓦解事件，它們(men) 看起來與(yu) 我們(men) 之前所見的完全不同，”該研究的主要作者、麻省理工學院卡夫利天體(ti) 物理與(yu) 空間研究所的研究生梅根·馬斯特森說道。“我們(men) 了解到，這些事件確實是由黑洞吸積驅動的，而且它們(men) 看起來不像正常活躍黑洞周圍的環境。現在我們(men) 能夠研究休眠黑洞環境的真實麵貌，這令人興(xing) 奮不已。”

該研究的麻省理工學院作者包括 Christos Panagiotou、Erin Kara、Anna-Christina Eilers，以及哥倫(lun) 比亞(ya) 大學的 Kishalay De 和來自其他多個(ge) 機構的合作者。

看到光明

這項新研究擴展了團隊之前使用另一個(ge) 紅外探測器——NASA 近地天體(ti) 廣域紅外巡天探測器（NEOWISE）任務——開展的研究。團隊使用由論文合著者、哥倫(lun) 比亞(ya) 大學的 Kishalay De 開發的一種算法，搜索了該望遠鏡十年來的數據，尋找紅外“瞬變”，即來自原本平靜的星係的紅外活動短暫峰值，這些峰值可能是黑洞短暫蘇醒並吞噬一顆過往恒星的信號。這項搜索發現了大約十幾個(ge) 信號，團隊確定這些信號很可能是由潮汐瓦解事件產(chan) 生的。

“通過這項研究，我們(men) 發現了12個(ge) 看起來像潮汐瓦解事件的源頭，”馬斯特森說。“我們(men) 提出了很多論點，認為(wei) 這些信號能量非常高，而且這些星係之前看起來並不活躍，所以這些信號一定是突然發生的潮汐瓦解事件造成的。但除了這些小碎片外，沒有其他直接證據。”

借助詹姆斯韋伯太空望遠鏡靈敏度更高的功能，研究人員希望能夠辨別關(guan) 鍵的“光譜線”，即特定波長的紅外光，從(cong) 而清晰地識別出與(yu) 潮汐破壞事件相關(guan) 的狀況。

“通過 NEOWISE，就好像我們(men) 的眼睛隻能看到紅光或藍光，而通過 JWST，我們(men) 可以看到完整的彩虹，”馬斯特森說。

真實信號

在這項新研究中，研究小組專(zhuan) 門尋找紅外波峰，這種波峰隻能由黑洞吸積產(chan) 生——吸積是物質在循環氣體(ti) 盤中被吸向黑洞的過程。黑洞吸積會(hui) 產(chan) 生大量的輻射，其強度足以將單個(ge) 原子中的電子釋放出來。具體(ti) 來說，這種吸積過程可以從(cong) 氖原子中釋放出多個(ge) 電子，由此產(chan) 生的離子可以躍遷，釋放出詹姆斯·韋伯太空望遠鏡能夠探測到的特定波長的紅外輻射。

“宇宙中除了黑洞吸積之外，沒有其他東(dong) 西能夠激發這種氣體(ti) 產(chan) 生如此高的能量，”馬斯特森說。

研究人員在之前確定的12個(ge) 潮汐瓦解事件候選體(ti) 中的4個(ge) 中尋找這一確鑿信號。這4個(ge) 信號包括：迄今為(wei) 止探測到的距離最近的潮汐瓦解事件，位於(yu) 一個(ge) 距離我們(men) 約1.3億(yi) 光年的星係中；一個(ge) 同時伴有X射線爆發的潮汐瓦解事件；一個(ge) 可能是由氣體(ti) 以極高速度圍繞中心黑洞循環產(chan) 生的信號；以及一個(ge) 同時伴有光學閃光的信號，此前科學家懷疑這是超新星爆發或垂死恒星的坍縮，而非潮汐瓦解事件。

“這四個(ge) 信號是我們(men) 能找到的最接近確定事件的信號了，”馬斯特森說。“但詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的數據幫助我們(men) 明確地斷言，這些都是真正的潮汐力幹擾事件。”

當團隊利用德設計的程序，將詹姆斯·韋伯太空望遠鏡對準這四個(ge) 信號星係時，他們(men) 觀察到所有四個(ge) 信號源都出現了明顯的譜線。這些測量證實了這四個(ge) 星係都發生了黑洞吸積。但問題依然存在：這種吸積是由潮汐瓦解和一個(ge) 短暫蘇醒並吞噬過往恒星的黑洞引發的暫時現象嗎？還是說，這種吸積是“活躍”黑洞的一種更持久的特征，這些黑洞始終處於(yu) 活動狀態？如果是後者，潮汐瓦解事件發生的可能性較小。

為(wei) 了區分這兩(liang) 種可能性，研究小組利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的數據探測到了另一種紅外光波長，這表明星係中存在矽酸鹽或塵埃。隨後，他們(men) 繪製了四個(ge) 星係中這些塵埃的圖像，並將其與(yu) 活躍星係的圖像進行了比較。已知活躍星係的中心黑洞周圍存在團塊狀、甜甜圈狀的塵埃雲(yun) 。

馬斯特森觀察到，這四個(ge) 塵埃源與(yu) 典型的活躍星係相比，呈現出截然不同的模式，這表明每個(ge) 星係中心的黑洞通常並非活躍的，而是處於(yu) 休眠狀態。如果在這樣的黑洞周圍形成了吸積盤，研究人員得出結論，這一定是潮汐瓦解事件的結果。

“綜合起來，這些觀測結果表明這些耀斑唯一可能就是潮汐瓦解事件，”馬斯特森說。

她和她的同事計劃利用 NEOWISE、JWST 和其他紅外望遠鏡，發現更多此前未被發現的潮汐瓦解事件。他們(men) 表示，如果探測到足夠多的潮汐瓦解事件，潮汐瓦解事件可以作為(wei) 黑洞特性的有效探測器。例如，恒星被撕裂的程度，以及其碎片被吸積和消耗的速度，可以揭示黑洞的基本特性，例如它的質量和旋轉速度。

“黑洞吞噬所有恒星物質的實際過程需要很長時間，”馬斯特森說。“這不是一個(ge) 瞬間完成的過程。希望我們(men) 能夠開始探索這個(ge) 過程需要多長時間，以及當時的環境是什麽(me) 樣子。沒有人知道，因為(wei) 我們(men) 才剛剛開始發現和研究這些事件。”

這項研究得到了美國國家航空航天局的部分支持。