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藝術(shù)家對(duì)潮汐破裂事件(恒星被黑洞撕裂)的描繪。貸記:uux.cn/美國國家航空航天局/ CXC /魏斯先生
（神秘的破裂地球uux.cn）據(jù)錫拉丘茲大學(xué)：在大多數(shù)大型星系的中心存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞(SMBH)。銀河系有人馬座A*，事件一顆大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)的及其揭示SMBH，其質(zhì)量約為太陽的對(duì)遙430萬倍。但是遠(yuǎn)星如果你更深入地觀察宇宙，會(huì)發(fā)現(xiàn)有更大的系中星SMBHs，其質(zhì)量可以達(dá)到我們太陽質(zhì)量的黑洞和恒數(shù)百億倍。
黑洞通過引力消耗其附近的潮汐物體，包括恒星，破裂來增加質(zhì)量。事件對(duì)于不幸被SMBHs吞噬的及其揭示恒星來說，這是對(duì)遙一個(gè)災(zāi)難性和破壞性的結(jié)局，但對(duì)于現(xiàn)在有機(jī)會(huì)探索星系休眠中心的遠(yuǎn)星科學(xué)家來說，這是系中星幸運(yùn)的。
照亮前進(jìn)的道路
顧名思義，黑洞本身不發(fā)光，這使得研究人員很難觀察到它們。但是，當(dāng)一顆恒星足夠靠近超大質(zhì)量黑洞時(shí)，它可能會(huì)被黑洞巨大的潮汐引力場通過相互作用摧毀，這實(shí)際上是地球與月球潮汐相互作用的一個(gè)極端例子。
一些被潮汐摧毀的物質(zhì)落入黑洞，在此過程中形成了一個(gè)非常熱、非常亮的物質(zhì)盤。這個(gè)過程被稱為潮汐中斷事件(TDE)，提供了一個(gè)可以用強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡觀察和科學(xué)家分析的光源。
TDEs相對(duì)來說比較罕見——在一個(gè)給定的星系中，預(yù)計(jì)大約每10，000到100，000年發(fā)生一次。一般來說，每年都會(huì)探測到一打到二十幾個(gè)TDE，但是隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，像目前正在智利建造的Vera C. Rubin天文臺(tái)，預(yù)計(jì)在未來幾年將會(huì)觀測到數(shù)百個(gè)。
這些強(qiáng)大的天文臺(tái)掃描夜空中上升和下降的光源，從而“調(diào)查”宇宙中隨時(shí)間變化的天文現(xiàn)象。利用這些巡天，天體物理學(xué)家可以對(duì)TDEs進(jìn)行研究，以估計(jì)SMBHs及其破壞的恒星的性質(zhì)。
研究人員試圖了解的事情之一是恒星和SMBH的質(zhì)量。雖然有一種模型已經(jīng)被經(jīng)常使用，但是最近開發(fā)了一種新的模型，并且正在進(jìn)行測試。
分析模型的出現(xiàn)
吸積率——或在TDE過程中恒星物質(zhì)落回SMBH的速率——揭示了恒星和smbh的重要特征，如它們的質(zhì)量。計(jì)算這個(gè)的最準(zhǔn)確的方法是用數(shù)值流體動(dòng)力學(xué)模擬，它使用計(jì)算機(jī)來分析TDE落雨到黑洞時(shí)被潮汐破壞的物質(zhì)的氣體動(dòng)力學(xué)。雖然精確，但這種技術(shù)很昂貴，研究人員需要幾周到幾個(gè)月的時(shí)間來計(jì)算一個(gè)TDE。
近幾十年來，物理學(xué)家設(shè)計(jì)了分析模型來計(jì)算吸積率。這些模型為理解破裂恒星和黑洞的性質(zhì)提供了一種高效且經(jīng)濟(jì)的方法，但其近似的準(zhǔn)確性仍存在不確定性。
目前存在一些分析模型，其中最著名的可能是“凍結(jié)”近似法；這個(gè)名字來源于這樣一個(gè)事實(shí)，即落到黑洞上的碎片的軌道周期是確定的，或者說是“凍結(jié)的”，在離黑洞特定的距離處，稱為潮汐半徑。
這個(gè)模型由Lacy，Townes和Hollenbach在1982年提出，然后由Lodato，King和Pringle在2009年進(jìn)行了擴(kuò)展，該模型表明大質(zhì)量恒星的吸積速率在一個(gè)時(shí)間尺度上達(dá)到峰值，這個(gè)時(shí)間尺度根據(jù)恒星的質(zhì)量從1年到10年不等。這意味著，如果你看著夜空，一個(gè)光源可能會(huì)在幾年的時(shí)間尺度內(nèi)開始變亮，達(dá)到峰值，然后隨著時(shí)間的推移而減弱。
新的前進(jìn)方向
錫拉丘茲大學(xué)物理學(xué)教授埃里克·庫格林和利茲大學(xué)理論天體物理學(xué)副教授克里斯·尼克森在2022年提出了一個(gè)新模型，簡稱為CN22模型，它將TDEs的峰值時(shí)間尺度確定為恒星屬性和黑洞質(zhì)量的函數(shù)。
從這個(gè)新模型中，他們恢復(fù)了TDE峰的時(shí)標(biāo)和吸積率，這與一些流體動(dòng)力學(xué)模擬的結(jié)果一致，但這個(gè)模型的更廣泛的影響——以及它對(duì)更廣泛的恒星類型的預(yù)測，包括恒星的質(zhì)量和年齡——還沒有完全闡明。
為了在更廣泛的背景下更好地描述和理解這一模型的預(yù)測，由物理系博士生Ananya Bandopadhyay領(lǐng)導(dǎo)的錫拉丘茲大學(xué)研究人員團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一項(xiàng)研究，以分析CN22模型的含義，并針對(duì)不同類型的恒星和各種質(zhì)量的SMBHs進(jìn)行測試。
該小組的工作已經(jīng)發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》上。除了主要作者Bandopadhyay之外，合著者還包括庫格林、尼克森、物理系的本科生和研究生，以及錫拉丘茲市學(xué)區(qū)(SCSD)的學(xué)生。
SCSD學(xué)生的參與是通過錫拉丘茲大學(xué)物理學(xué)研究(SURPh)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的，這是一個(gè)為期六周的帶薪實(shí)習(xí)項(xiàng)目，當(dāng)?shù)馗咧猩梢耘c文理學(xué)院物理系的師生一起從事前沿研究。
在2022年和2023年的夏天，SCSD的學(xué)生與錫拉丘茲的物理學(xué)家合作進(jìn)行計(jì)算項(xiàng)目，測試CN22模型的有效性。他們使用一種叫做“恒星天體物理學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K”的恒星演化代碼來研究恒星的演化。
利用這些剖面，他們比較了“凍結(jié)”近似和CN22模型對(duì)一系列恒星質(zhì)量和年齡的吸積率預(yù)測。他們還對(duì)超大質(zhì)量黑洞對(duì)類太陽恒星的破壞進(jìn)行了數(shù)值流體動(dòng)力學(xué)模擬，以將模型預(yù)測與數(shù)值獲得的吸積率進(jìn)行比較。
他們的發(fā)現(xiàn)
據(jù)Bandopadhyay稱，研究小組發(fā)現(xiàn)，CN22模型與流體動(dòng)力學(xué)模擬非常吻合。此外，也許是最深刻的發(fā)現(xiàn)是，TDE中吸積速率的峰值時(shí)間尺度對(duì)被摧毀的恒星的性質(zhì)(質(zhì)量和年齡)非常不敏感，對(duì)于像我們的太陽這樣被質(zhì)量為速騰A*的黑洞摧毀的恒星來說，大約是50天。
關(guān)于這一結(jié)果，最引人注目和令人驚訝的是，“凍結(jié)”模型做出了一個(gè)非常不同的預(yù)測。根據(jù)“凍結(jié)”模型，同樣的TDE會(huì)產(chǎn)生一個(gè)吸積率，在兩年的時(shí)間尺度內(nèi)達(dá)到峰值，這與流體動(dòng)力學(xué)模擬的結(jié)果明顯不符。
Bandopadhyay說:“這推翻了以前持有的關(guān)于TDEs工作方式以及完全摧毀一顆恒星可能會(huì)產(chǎn)生何種瞬態(tài)的概念。”“通過確認(rèn)CN22模型的準(zhǔn)確性，我們證明了這種類型的分析方法可以大大加快推斷具有不同質(zhì)量和年齡的恒星破裂的可觀測屬性。”
他們的研究也解決了之前的另一個(gè)誤解。通過澄清完整的TDEs不能超過一個(gè)月的時(shí)間尺度，他們否定了早期的信念，即它們可以用來解釋在多年跨度上達(dá)到峰值和衰減的長期光變曲線。
此外，庫格林指出，這篇論文驗(yàn)證了峰值回落率實(shí)際上獨(dú)立于被破壞恒星的質(zhì)量和年齡，幾乎完全由SMBH的質(zhì)量決定，這是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，像CN22這樣的模型可以幫助研究人員限制smbh的質(zhì)量。
“如果你測量上升時(shí)間，你可以直接窺視超大質(zhì)量黑洞的屬性，這是TDE物理學(xué)的圣杯——能夠使用TDEs來說一些關(guān)于黑洞的事情，”庫格林說。
Bandopadhyay承認(rèn)這篇論文對(duì)該領(lǐng)域的影響，并應(yīng)美國天文學(xué)會(huì)的邀請(qǐng)，于2024年1月11日在新奧爾良舉行的學(xué)會(huì)第243次會(huì)議上介紹了該團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)。
展望未來，該團(tuán)隊(duì)表示，通過確認(rèn)CN22模型的準(zhǔn)確性，這項(xiàng)研究為研究人員打開了一個(gè)窗口，可以對(duì)TDEs進(jìn)行可觀測的預(yù)測，可以根據(jù)現(xiàn)有和即將到來的檢測進(jìn)行測試。通過合作和獨(dú)創(chuàng)性，錫拉丘茲大學(xué)的研究人員正在揭示黑洞物理學(xué)的細(xì)節(jié)，并幫助探索遙遠(yuǎn)宇宙中曾經(jīng)無法追蹤的領(lǐng)域。