人马座A*黑洞以及更多：天文学家利用TDE帮助探索宇宙中曾经无法追踪的领域

对于不幸被超大型黑洞吞噬的恒星来说，这是一个灾难性的毁灭性结局，但对于科学家来说却是幸运的，因为他们现在有机会探测星系中原本处于休眠状态的中心。

TDE 照亮探索的道路

顾名思义，黑洞本身不会发出任何光，因此研究人员很难观测到它们。但是当一颗恒星足够接近一个超大质量黑洞时，它就会被黑洞巨大的潮汐引力场摧毁，这种相互作用实际上就是地球与月球潮汐相互作用的极端例子。一些被潮汐摧毁的物质会掉入黑洞，形成一个非常热、非常亮的物质盘。这个过程被称为潮汐破坏事件（TDE），它提供了一个光源，科学家可以用强大的望远镜观察和分析。

TDEs比较罕见--据预测，在一个特定的星系中，大约每10,000到100,000年发生一次。通常每年能探测到一到二十次TDEs，但随着新技术的出现，如目前正在智利建造的维拉-C-鲁宾天文台，预计在未来几年内将观测到数百次TDEs。这些功能强大的天文台扫描夜空，寻找上升和下降的光源，从而"勘测"宇宙中的时变天文现象。利用这些观测，天体物理学家可以对 TDEs 进行研究，以估计 SMBHs 及其摧毁的恒星的性质。研究人员试图了解的事情之一是恒星和 SMBH 的质量。虽然有一种模型被经常使用，但最近又开发出了一种新的模型，目前正在进行测试。

分析模型的出现

吸积率--即恒星的恒星物质在TDE期间落回SMBH的速率揭示了恒星和SMBH的重要特征，例如它们的质量。最精确的计算方法是进行流体力学数值模拟，利用计算机分析TDE中潮汐破坏的物质雨点般落到黑洞上时的气体动力学。这种技术虽然精确，但成本高昂，研究人员计算一个 TDE 可能需要数周到数月的时间。

近几十年来，物理学家们设计出了计算吸积率的分析模型。这些模型为了解扰乱恒星和黑洞的性质提供了一种高效、经济的方法，但其近似值的准确性仍存在不确定性。

目前存在的分析模型屈指可数，其中最著名的可能要数"冻结在黑洞中"近似模型了；这一名称源于这样一个事实，即落在黑洞上的碎片的轨道周期是在与黑洞的一个特定距离（称为潮汐半径）上确定的，或者说是"冻结在黑洞中"。这一模型由莱西、汤斯和霍伦巴赫于1982年提出，洛达托、金和普林格于2009年对其进行了扩展，认为大质量恒星的吸积率在1到10年的时间范围内达到峰值，具体取决于恒星的质量。这意味着，如果在夜空中观察，一个星源最初可能会变亮、达到峰值，然后随着时间的推移逐渐减弱，时间尺度可达数年之久。

新的前进之路

锡拉丘兹大学物理学教授埃里克-考夫林（Eric Coughlin）和利兹大学理论天体物理学副教授克里斯-尼克松（Chris Nixon）在2022年提出了一个新模型，简称CN22模型，它将TDE的峰值时间尺度确定为恒星性质和黑洞质量的函数。根据这个新模型，他们恢复了TDE的峰值时间尺度和吸积率，与一些流体力学模拟的结果一致，但这个模型更广泛的影响--以及它对更广泛的恒星类型（包括恒星的质量和年龄）的预测还没有完全阐明。

为了在更广泛的背景下更好地描述和理解这一模型的预测，由物理系博士生 Ananya Bandopadhyay 带领的锡拉丘兹大学研究团队开展了一项研究，分析 CN22 模型的影响，并针对不同类型的恒星和不同质量的 SMBH 进行测试。研究小组的研究成果发表在《天体物理学杂志通讯》上。除了第一作者Bandopadhyay之外，共同作者还包括Coughlin、Nixon、物理系的本科生和研究生以及锡拉丘兹市教育局（SCSD）的学生。锡拉丘兹市教育局学生的参与是通过锡拉丘兹大学物理研究（SURPh）项目实现的，该项目是一个为期六周的带薪实习项目，当地高中生与文理学院物理系的师生一起参与前沿研究。

在2022年和2023年的夏天，南加州大学的学生与锡拉丘兹大学的物理学家合作开展计算项目，测试CN22模型的有效性。他们使用名为"恒星天体物理学实验模块"的恒星演化代码来研究恒星的演化。利用这些剖面图，他们比较了"冻结"近似和 CN22 模型对一系列恒星质量和年龄的吸积率预测。他们还对一颗类太阳恒星被一个超大质量黑洞破坏的过程进行了流体力学数值模拟，以比较模型预测值和数值得出的吸积率。

研究成果

据 Bandopadhyay 称，研究小组发现 CN22 模型与流体力学模拟结果非常吻合。此外，也许最重要的一点是，研究发现TDE中吸积率的峰值时间尺度对被摧毁恒星的性质（质量和年龄）非常不敏感，对于像太阳这样被质量为人马座A*的黑洞摧毁的恒星来说，峰值时间尺度约为50天。

这一结果最引人注目和最令人吃惊的是，"冻结在"模型做出了截然不同的预测。根据"冻结在"模型，同一 TDE 产生的增殖率将在两年的时间尺度上达到峰值，这与流体力学模拟的结果明显不符。

Bandopadhyay说："这推翻了以前关于TDE工作方式的观念，以及彻底摧毁恒星可能产生的瞬态类型。通过证实CN22模型的准确性，我们证明了这种分析方法可以大大加快对具有不同质量和年龄的恒星破坏的可观测特性的推断。"

他们的研究还推翻了早先的观点，即TDEs可以用来解释在多年跨度上达到峰值和衰减的长持续时间光变曲线。此外，Coughlin 还指出，这篇论文验证了峰值回落率实际上与被破坏恒星的质量和年龄无关，几乎完全由 SMBH 的质量决定。

"如果测量的是上升时间，那么可以直接窥探到的实际上是超大质量黑洞的属性，这是TDE物理学的目标，也就是利用TDE来说明黑洞的一些情况，"考夫林说。

鉴于该论文对该领域的影响，美国天文学会邀请 Bandopadhyay 在 2024 年 1 月 11 日于新奥尔良举行的该学会第243次会议上介绍该团队的研究成果。

展望未来，研究小组表示，通过证实CN22模型的准确性，这项研究为研究人员打开了一扇窗，使他们能够对TDEs做出可观测的预测，并根据现有的和即将到来的探测结果对其进行检验。通过合作和智慧，锡拉丘兹大学的研究人员正在揭示黑洞物理学的细节，并帮助探索遥远宇宙中曾经无法追踪的领域。

编译来源：ScitechDaily