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黑洞将恒星变成“意大利面”——宇宙犯罪现场的揭示
天文学家成功还原了一颗恒星的最终命运，这颗恒星被巨大黑洞摧毁并部分吞噬，仿佛变成了一根细长的“意大利面”。
一颗恒星在巨大黑洞的巨大引力影响下被撕裂的图片。
（图片来源：NASA/CXC/M. Weiss）
一项宇宙观测已揭示了黑洞的食物摄取方式的详细信息。在最新的研究中，天文学家们考察了一颗超大质量黑洞对一颗恒星的摧毁，揭示了这些宇宙巨兽如何摄取靠近它们的物质。研究结果表明，相当大量的这些物质并非被黑洞吞噬，而是被喷射离开。
这起血腥的事件发生在距离地球215光年的地方，首次被观测到是在2019年10月，标志着一颗类似太阳的恒星被质量超过它一百万倍的黑洞摧毁后的后续发展。这是迄今为止，天文学家观测到的最接近的一次恒星“意大利面化”事件，这是由巨大黑洞引发的潮汐力所导致。
这一所谓的潮汐撕裂事件发生在仙女座星座内的一个螺旋星系中。这是第一个在可见光中足够明亮的事件，使得天文学家能够详细研究恒星被撕裂后物质的行为。
通过观测事件中光线的偏振，加州大学伯克利分校的研究人员得出结论，其中大部分恒星物质以高达每小时2200万英里（3500万千米）的速度从黑洞周围被喷射出去。这一喷射事件被命名为AT2019qiz，产生了一团气体云。新的偏振光观测结果显示，这团气体云呈球对称形状。该气体云的宽度相当于地球到太阳平均距离的200倍，意味着其半径比我们行星轨道的半径大100倍，其外缘距离中央黑洞约为9.3亿英里（15亿千米）。
加州大学伯克利分校的天文学家吕文斌是描述这一观测结果的新论文的合著者之一。他在一份声明中表示：“超大质量黑洞能够通过其巨大的潮汐力撕裂恒星，这是宇宙中最不可思议的事情之一。”他还指出，“这些恒星潮汐撕裂事件是天文学家了解星系中心超大质量黑洞存在以及测量其性质的极少数途径之一。然而，由于数值模拟这些事件的计算成本极高，天文学家对潮汐撕裂后的复杂过程仍然了解不足。”
这一新的发现或许可以解释为什么天文学家在其他潮汐撕裂事件中没有观测到高能辐射，比如X射线。这些辐射是由于来自恒星的物质被拖入黑洞周围形成薄盘，这些物质在盘中受热，产生高能辐射，同时也在物质进入黑洞时产生。然而，这些辐射被由强大气流喷射出的气体云所遮蔽。
当一颗恒星误入黑洞附近的极近轨道时，发生了一次潮汐撕裂事件，模拟结果显示被摧毁的恒星物质环绕着这个宇宙巨兽，最终落入黑洞表面。（图片来源：NRAO/AUI/NSF）
“这一观测结果排除了一类在理论上提出的解决方案，同时对于黑洞周围的气体行为提供了更强有力的限制” ，加州大学伯克利分校的天文学研究生、本文的主要作者Kishore Patra在声明中表示。“我们已经看到了其他风从这些事件中喷射出来的证据，我认为这项偏振研究明确了这些证据，因为没有足够的风，是不可能得到球对称的几何形状的。”
“这里的有趣之处在于，向黑洞螺旋运动的恒星物质中，相当大一部分最终并未坠入黑洞，而是被喷射远离黑洞，” Patra补充说。
这一结果似乎与许多天文学家提出的理论相矛盾，即当恒星被黑洞摧毁时，会形成一个高度不对称的吸积盘。这样的吸积盘会表现出高度极化的光线——而这在这次的潮汐撕裂事件中并未观察到。
2019年11月的第二组观测结果显示，这次事件的光线只有轻微的极化。该团队表示，这一发现表明，被喷射出的气体云已经足够稀薄，以揭示黑洞周围的不对称气体结构。
“吸积盘本身足够热以在X射线范围内发射大部分光线，但这些光线必须穿过这个云层，在这个过程中发生多次散射、吸收和再发射，然后才能逃离这个云层，” Patra说道。“在每个这样的过程中，光线都会失去一些光子能量，最终降至紫外线和光学光谱的能量水平。最后一次散射决定了光子的极化状态。因此，通过测量极化，我们可以推断出最后一次散射发生的表面几何形状。”
Petra补充说，团队观察到的这颗恒星的“临终场景”可能不适用于那些“特殊”的潮汐撕裂事件，其中物质以接近光速从黑洞的两极喷射出来。要回答这个问题，需要进一步进行潮汐撕裂事件的极化研究。
“极化研究非常具有挑战性，全球范围内真正熟练掌握这项技术的人非常有限，” Petra说道。“因此，对于潮汐撕裂事件来说，这是一片未知的领域。”
这两组观测都是使用加州圣何塞附近的Lick Observatory的3米（10英尺）Shane望远镜进行的。该望远镜配备了Kast分光仪，这是一种可以确定整个光谱范围内光的极化状态的仪器。
该团队的论文将在《皇家天文学会月报》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）的九月号中发表。
BY:Robert Lea
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