翻開宇宙著名「陳年血案」,科學家們又有了全新發現

|· 本文來自「我是科學家」·|

2019年伊始，天文學家們破獲了一起有特殊意義的「宇宙血案」，他們從2014年的「陳年案卷」中發現了新線索，進一步揭示了一個曾經生吞恆星的兇手——超大質量黑洞的廬山真面目。

超大質量黑洞的概念圖。中央的超大質量黑洞被一個吸積盤（黃色）所圍繞，外部則是塵埃環面（藍色），兩道噴流則從中心區域向外噴射而出。圖片來源：ESA/NASA/the AVO project/Paolo Padovani。

作案兇手：飢腸轆轆的黑洞「怪獸」

黑洞是愛因斯坦的廣義相對論預言的一類獨特的時空結構。現在人們認為，星系中心普遍存在超大質量黑洞——比如我們銀河系中心就有一個大約四百萬倍太陽質量的黑洞。

這些超大質量黑洞可以稱得上是不折不扣的「怪獸」——它們能吞噬一切與之靠近的物體，並釋放出巨大的能量，而且可能深刻的影響著整個星系的前世今生。

黑洞通過吞噬周圍的物質而逐漸長大，那些物質會在黑洞周圍聚集成盤，摩擦生熱到極高的溫度，發出耀眼的光芒，產生磁場驅動物質在噴流中向外疾馳。圖片來源：psu.edu

然而，黑洞雖然胃口很大，但它並不總是在進食。大部分時候，它們只是很安靜的待在那兒，甚至長時間飢腸轆轆沒東西可吃。

那些安靜的黑洞怪獸，悄悄的潛伏在星系的中心，令我們很難察覺，除非它們距離很近，我們可以通過黑洞周圍的恆星或者氣體的運動推測它們的存在，否則就像只「隱形的怪獸」。

恆星潮汐撕裂事件藝術想像圖。當星系中一顆恆星運動足夠靠近黑洞，其受到的潮汐力超過自身引力的時候，就會被撕裂瓦解。部分撕碎的物質被黑洞吸積，產生明亮的電磁閃耀。圖片來源：NASA/CXC/M.Weiss.

那些潛伏的黑洞並不是一直保持安靜，有時候它也會以迅雷不及掩耳之勢捕食靠近自己的恆星。不過，黑洞絕不會輕易出手，差不多每隔幾萬年才忍不住大快朵頤一餐。所謂不鳴則已，一鳴驚人，每次出手它都會奉獻一場異常精彩的天文奇觀，不禁讓人欣賞驚嘆。

逐漸浮出水面的「恆星慘案」

星系中的恆星，一般都在安全的軌道上快樂的玩耍。然而總有些不安分的恆星會偏離原先的軌道，一不小心就會遊蕩到黑洞附近。這時，黑洞就會悄悄的張開它的血盆大口，憑藉它強大引力勢蘊含的潮汐力將恆星無情撕碎，那些被粉身碎骨的恆星屍體無論如何垂死掙扎，一部分終究會被黑洞吃下去。

落向黑洞的恆星碎片會形成一個短暫的吸積盤，被黑洞細嚼慢咽。整個血案過程一般持續幾個月到幾年，產生了可被觀測的電磁閃耀，輻射的峰值頻率在X射線到紫外波段，最大亮度甚至可以和整個星系億萬顆恆星的總亮度不分伯仲。但是在這之後，一切就會回歸平靜，仿佛什麼也沒發生。

被扯碎的恆星殘骸盤旋著落入黑洞，這個過程會產生大量的熱量，有能力發出強烈的光芒。圖片來源：ESO

其實，早在上世紀七八十年代，天體物理學家就已經在理論上預言了這類事件，然而直到九十年代，人們才從歷史的存檔X射線數據中找到了疑似的案例。

黑洞潮汐撕裂並且吞噬恆星罕見而且稍縱即逝，這個作案特徵無疑給捕捉它們的犯罪現場增加了不小的難度，有種「十步殺一人，千裡不留行。事了拂衣去，深藏身與名」的劍客作風。

不過這也難不倒觀測天文學家們。隨著近些年大視場時域巡天項目的蓬勃發展，天網恢恢疏而不漏，這種案例的發現數目正逐步增加。預計未來五到十年更是會進入一個爆發性發展時期，發現數目有望從當下的幾十例迅速增加到成百上千例。

有道是，「手莫伸，伸手必被捉」。恆星潮汐撕裂事件為我們探測潛伏的寧靜黑洞提供了一個絕佳的機會。藉此恆星潮汐撕裂事件，我們不僅可以看到黑洞進餐的過程，幫助理解黑洞吸積的相關物理，而且可以窺探黑洞的廬山真面目。

黑洞無毛定理卡通圖。目前理論認為，奧卡姆剃刀會讓黑洞簡潔到只需要三個參數就可以完全描述：質量，自旋和電荷。圖片來源：Dr.Karan Jani on Twitter。

根據黑洞無毛定理，描述黑洞只需要三個參數，即質量、自旋和電荷（一般認為在天體環境下電荷為中性）。對於處於寧靜狀態的黑洞，質量和自旋的測量都極其困難。除非距離很近的黑洞，比如銀河系中心的黑洞，我們可以通過空間分辨的恆星或者氣體運動測量其質量，但對於自旋（即黑洞轉的有多快）我們可以說完全束手無策，目前仍然一無所知。

「明星事件」中的新線索，兇手再次露出馬腳

而就在最近，科學家們得到了一些很有價值的線索——2019年1月9日，《科學》（Science）上報導了一項利用黑洞吞噬恆星事件作為測量黑洞參數新途徑的發現^[1]。這個新鮮出爐的工作關注的是一個編號為ASASSN-14li的陳年舊案，它是全天自動化超新星巡天項目（ASAS-SN）於2014年11月首先發現的。

ASASSN-14li可謂是恆星潮汐撕裂案件中的明星，是距離我們最近的案件之一（約2.9億光年），也是目前探測波段最齊全、研究得最充分的案例。繼它最初在光學波段被發現之後，立即被後隨的X射線觀測探測到，屬於同時在光學和X射線波段都有很強輻射的罕見事件。

不僅如此，它還有暫現的射電輻射，可能來自新產生的噴流或者外流與星際介質碰撞的輻射。2016年，中國科學技術大學的王挺貴教授小組，利用NASA的廣域紅外探測器（WISE）的數據在ASASSN-14li中還首次探測到恆星潮汐撕裂事件的紅外迴響信號，來自黑洞周圍的塵埃吸收高能光子被加熱後的再輻射^[2]。

因此，這是一例同時在X射線、紫外線、光學、紅外線和射電波段都顯著探測的事件，是我們多角度全面理解黑洞吞噬恆星過程的理想範本，具有重要的科研價值，國際上對它的X射線監測持續了很長一段時間。

而最新的這項工作，通過仔細分析長期積累的大量X射線數據，竟然發現它帶有顯著的周期性光變信號！

這種信號一般被稱作準周期震蕩（簡稱QPO）。研究者在三個不同的衛星數據裡都獨立發現了周期為131秒的準周期震蕩信號，置信度達到了4個sigma（即真實的概率達到了99.99%）。

ASASSN-14li的Chandra摺疊光變曲線，表現出明顯的周期性震蕩QPO信號，該圖來自參考文獻[1]

此外，在X射線觀測覆蓋的450天內，雖然X射線流量一直在衰減，但這個周期性震蕩一直沒消失，意味著這是一個長時間穩定存在的信號。

在這之前的2012年，同樣是《Science》曾經報導另一例案件 SwiftJ1644+57中周期大約200秒的準周期震蕩^[3]，不過它的信號幅度比ASASSN-14li要低很多，持續的時間也更短（僅幾周）。而且，ASASSN-14li是一個更加典型的事件，它的X射線輻射來自黑洞吸積，因此更有利於對黑洞性質的研究。

這個工作的領導者是麻省理工學院（MIT）科維裡天體物理與空間研究所的博士後Dheeraj Pasham，他是研究黑洞吸積系統準周期性震蕩信號的專家，比如2014年他利用這類信號在近鄰星系M82中發現了一個約400倍太陽的中等質量黑洞，發表在《Nature》上^[4]。

這次Pasham博士把目光聚焦在恆星潮汐撕裂事件上，給本已名聲大噪的明星事件ASASSN-14li又添上了濃墨重彩的一筆。

黑洞自旋之謎或被解開

作為黑洞的基本參數，自旋是黑洞的一個重要特徵。事實上，我們只要知道了質量和自旋就能完全鎖定真兇了。它們就像黑洞作案的兩隻手，共同完成了這起血案。

黑洞好像能施魔法，轉起來的時候能引誘作為食物的恆星靠得它越近。這是因為圍繞黑洞轉圈的恆星有一個最內穩定軌道，自旋越大，這個軌道的半徑就越小。

比如我們在電影《星際穿越》中看到主角們在巨浪星球米勒上的一小時等於地球上的七年，時間膨脹效應如此之大！

這個星球離黑洞卡岡圖雅非常近，而這麼近都沒有被黑洞吞噬，正是因為卡岡圖雅是一個自旋非常大的黑洞，米勒運行在它的最內穩定軌道上，可以說就在黑洞的嘴邊徘徊。

電影《星際穿越》中的黑洞卡岡圖雅。作為黑洞的一個基本參數，自旋會強烈影響黑洞周圍的時空結構，我們看到的漂亮的發光結構是黑洞周圍的吸積盤被黑洞引力扭曲之後的樣子。上圖是電影中展現的樣子，對應的自旋參數a=0.6，下圖是同樣的黑洞在a=0.999時的樣子^[5]。

這次的新發現認為，產生準周期震蕩輻射信號的物質就運行在最內穩定軌道上。於是，震蕩周期就完全是由黑洞的兩隻手，質量和自旋，共同操縱的。兩隻手仿佛緊扣在一起，如果我們能掰開其一，也就抓住了另一隻手。

比如，ASASSN-14li中心的黑洞質量由各種經驗關係給出的範圍介於約60萬到1300萬倍太陽質量之間，這樣我們就能推測自旋（用a表示）大於0.7（見下圖）。一般認為天體物理過程的黑洞自旋a不會大於0.998，這樣，反過來我們可以推測黑洞質量小於兩百萬倍太陽質量。

由ASASSN-14li的QPO信號推測的黑洞質量-自旋參數空間圖。圖中藍色、紫色和綠色分別對應克卜勒軌道頻率、垂向本輪頻率和 Lense-Thirring進動頻率，黑色虛線標註了經驗關係推測的黑洞質量範圍，輻射區假定在最內穩定軌道（ISCO）。該圖來自參考文獻[1]

總之，黑洞吞噬恆星過程產生的X射線準周期震蕩信號為我們測量黑洞的質量和自旋提供了新可能，這種方法獨闢蹊徑而且對於寧靜黑洞幾乎不可替代。

繼SwiftJ1644+57之後，這個工作進一步證實了從X射線準周期震蕩信號這個角度研究恆星潮汐撕裂事件的可行性。雖然準周期震蕩信號在普通的活動星系核中陸續有報導，但它的探測比例非常低。這次的發現可能也算是非常幸運了。

未來即將進入恆星潮汐撕裂事件研究的黃金時代，更多事件的發現將會從統計上給出準周期震蕩信號的出現機率。另一方面，這個工作開闢了測量寧靜黑洞質量和自旋的新道路，我們有理由對這一領域的未來前景保持期待。

最後，這個工作還給予我們一個啟示，即使像ASASSN-14li這種轟動一時的陳年舊案，似乎已經被全方位深入研究過，但仔細研究案卷仍會發現新的重要線索。

Pasham博士等人通過翻看X射線的歷史數據，注意到了其中隱藏的準周期震蕩信號，從而有望解開黑洞自旋這一重要參數的謎團。對於科學問題，我們永遠要保持開闊的思維和窮盡的思索，無意間的一點線索也許就是獲得最終真相的關鍵。(編輯：Yuki)

參考文獻：

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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