吞星暴露黑洞之“吃相”:科学家发现观察黑洞新视角

2014年5月,在北京国际机场,我第一糟糕见到了拉希德·苏尼阿耶夫(Rashid
Sunyaev)教授。他是一律各类身材胖胖的和蔼老人,热情开朗,十分语惊四座。在自机场通往宾馆的中途,拉希德几乎就是从不终止了说,从路边的修建及京底房价,他如对所有都充满了奇怪。彼时,这员俄罗斯宇宙物理学家受中国科学院“爱因斯坦讲席教授”计划的请来中华展开讲解。而己有幸担任了拉希德教授来访中的助理员,陪他进行了一如既往段奇妙之旅程。

本题:吞星暴露黑洞之“吃相”:科学家发现观察黑洞新视角

拉希德有同等差长荣誉头衔:马普天体物理研究所所长兼学术委员、俄罗斯科学院空间研究所首席科学家、普林斯顿高档研究院“莫琳同约翰·亨德里克斯”客座教授……就以几单月前,他还赢得了具有“诺奖风向标”之称的引文桂冠奖,理由是“在赞助人类认识宇宙起源、星系形成过程、黑洞吸积盘以及另外天体现象方面做出了了不起的奉献”。

由于奇点巨大的引力,就算是止也难以回避黑洞,因此黑洞通常难以给考察和钻研。此前,人们观测它们的方式来三:一凡是通过“监听”宇宙中由黑洞碰撞引发的引力波;二是经打造大的星系地图,然后因观测到的引力现象判断黑洞之所在位置;三凡是等待有气被黑洞吞噬,观察在兼并过程遭到放出的辐射

对此天体物理学界来说,更为熟悉的凡冠以其名的一定量宗重点成果:苏尼阿耶夫-泽尔多维奇效应(Sunyaev-Zel’dovich
effect,简称SZ效应)和沙库拉-苏尼阿耶夫盘(Shakura-Sunyaev disc)。

如若现行的研究人员们产生矣一个初的取舍,他们好经潮汐破坏事件(TDEs, tidal disruption
events)对黑洞进行观察。**
潮汐破坏事件一般会时有发生在恒星被百般色黑洞捕获的历程遭到,被抓走的恒星会于黑洞一分为二,其大部分色会给黑洞吞噬,就像是于斥捕获的如出一辙单三文鱼。**加州大学圣克鲁兹分校的天地物理学家 Enrico
Ramirez-Ruiz 说:“对己的话,这任上简直像是科幻小说。”

自我之师资 胸前别着三枚奖章

20世纪60年份初,贝尔实验室的少位无线电工程师于摆弄他们之喇叭形天线时,偶然间看同样种植无论如何也失去非丢掉的“噪声”——宇宙微波背景辐射(CMB)。这无异于于宇宙早期遗留下来的辐射吗流行时的“稳恒态理论”(该理论认为宇宙中频频发出新物质产生,从而使物质密度就于时空增长时为保稳)画及了句号,从此,“大爆炸”的定义开始深入人心。1978年,这有限员工程师,阿尔诺•彭齐亚斯(Arno
Penzias)和罗伯特•威尔逊(Robert
Wilson)凭借对CMB的探测摘得诺贝尔物理学奖。

 同一秋的苏联,一各叫雅科夫•泽尔多维奇(Yakov
Zel’dovich)的物理学家也以研CMB。他同他的学习者,拉希德·苏尼阿耶夫(Rashid
Sunyaev)认为,来自CMB的片光子在途径星系团时,会及内的分相互作用,于是当众人进行测量的方向上发星系团时,CMB的经营不善光子减少而高能光子则会加,这种状况让叫作苏尼阿耶夫-泽尔多维奇效应(即SZ效应)。

 SZ效应也人类探索早期宇宙提供了一如既往朵重要之探针,能够协助我们深切摸底非常口径结构的性、进行宇宙学参数的估计和研究暗物质与暗能量等问题。然而当非常丰富一段时间内,这项工作无取得周边肯定,直到观测上的凭据出现,方才扭转了当时无异于状况。

追思这段历史时,苏尼阿耶夫总是会涉及他以师资口述论文第一页的内容后连夜就是写了了整篇论文的事,这大胆的战斗力离不起头教职工的催。苏尼阿耶夫还时不时说自率先潮面见泽尔多维奇的经验,“我感觉恐惧”,他边说边站直身体并把条压为胸口(像犯错的子女无异)去学当下底情状,“他是一个颇了得的食指,胸前戴在三朵劳动奖章”。

澳门新葡亰官网APP 1雅科夫•泽尔多维奇,胸前别着三朵“社会主义劳动英雄”奖章,获之荣誉的人以苏联史及还无顶20单。图片来源:Wikepedia

若当过去的几乎年里,有关潮汐破坏事件的研究吗曾打“科幻小说”过渡至了动等。

“卡冈图雅”之才

苏尼阿耶夫的另外一样件重要研究成果,沙库拉-苏尼阿耶夫盘也被名“标准吸积盘”,来源于于1973年苏尼阿耶夫及尼古拉·沙库拉(Nikolai
Shakura)合作上之稿子,凡是目前用最普遍的吸积盘模型

实际吸积盘并无像她的讳听起来那样陌生,还记《星际穿越》里有名的黑洞“卡冈图雅”吗?在它们的方圆环绕着的不行懂的盘状结构即是吸积盘。

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高达世纪60年间,随着类星体的意识,人们发现及热核反应无法解释这看似新宇宙的高光度,它们的能来只能解释吗物质被精心天体(如黑洞)通过引力俘获的历程中自由的引力能——在绝条件下,这种给称吸积(accretion)的过程释放能量之效率,甚至多超出物质经核聚变反应的释能效率。

那么什么样落实吸积这种进程为?

当物质沿着开普勒圆轨道环绕黑洞运转时,如果没有引力以外的其他作用力,这些物质会绕在黑洞这么直接转下而无见面降低。但鉴于物质在召开开普勒运动时当不同半径处的转发不同,同时物质中存在粘滞作用,于是去黑洞更接近的质叫天的素拖拽,将角动量转移出,使得黑洞引力大于离心力,物质会向黑洞内落去,并释放出该携带的引力能,其中有引力能最终转变为辐射。

立马同一经过遭到,角动量转移是吸积得以进行的显要,而粘滞又是角动量转移的第一,粘滞的或者来自并无唯。由于当下针对粘滞机制了解得还非是杀理解,沙库拉及苏尼阿耶夫回避了切实的粘滞过程,大胆之引入一个α参数来讲述粘滞,这便是响当当的α粘滞率。至此,他们快便构建起正规吸积盘模型,并因此它成诠释了许多观测现象。

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切莫一样的拉希德教授

当同样称作天体物理专业的科研工作者,对于拉希德·苏尼阿耶夫与外的研讨自然是轻车熟路。而三年前的那么不行走近距离接触,让自家打听了即员长者教科书之外的另一样直面。

好奇心旺盛的博物馆控

本人发现,老爷子特别喜爱逛博物馆。

顾北京的那么几龙里,在各种议论与报告间歇,拉希德的浏览重点就是国博物馆。他说就是他自小就养成的好,延续多年,迄今为止已失去过许多世界著名博物馆。不过他的国博之实施针对本人来说可算一种植“折磨”——我之英语在博物馆场景下完全不足够用了。好以实地的志愿者们帮忙,才勉强扛住了外的问话。

 就当去北京之那天上午,他求我更带来客错过国博看同样圈。这同不良我们以转悠了大半天,还为此错过了午饭,不过仍他的传教是“精神食粮远较进食又重要”。我怀念,这些特质或就是是外以学术上得巨大成就的原故所在。

偶遇美国高中生

每当相距北京之后,我们的生一个目的地是古城西安,去与同一街有关星系宇宙学的国际会议。值得一提的凡,在通往咸阳机场底航班及碰见了同等群来华游学的美国高中生;几龙后,我们虽会见在西安街头及的重逢,并生了一如既往不善有趣之对话。也叫自身见闻到拉希德颇为“nerd”的单方面。

随即天饭后,我们正某处繁华地段闲逛,一个肥的少女跑过来热情地和我们通报,而我辈为认出其是那支美国游学团队受到的相同各。在摸清他们来自巴尔的摩后,拉希德话锋一转,开始兴致勃勃地摆起在这所都之约翰·霍普金斯大学,并极力推荐她们参观那里的哈勃望远镜控制室。这些话题显然不是杀为女孩子们的迎接,她们赶紧找了单借口避开的败夭。

虎跳峡的湍流

自随同拉希德的末尾一立是看云南丽江的天文台高美古观测站。其间,我们还减少时间去看了虎跳峡。不得不说,在马上海拔颇强的地段,我们几乎只小伙子的劲头还无苟一号七十大抵岁之老人。

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苏尼阿耶夫于虎跳峡,图片来源:作者

站于低谷边的围栏前,上临险峻挺拔的雪山,下观波涛汹涌的长河,听在如虎啸般的水石相击之声,拉希德显得格外激动。他透过震耳欲聋的号向我大喊,“看!多么神奇啊,是流水!”湍流的定义不仅局限为我们身边的江河湖海之间,它当宇宙物理领域为有所广阔的运,而沙库拉-苏尼阿耶夫盘受的粘滞很可能就是是流水造成的。随后,他伸手我扶将及时无异街景录下来,打算当素材给学员们示范“湍流”。(编辑:婉珺)

希冀 |
潮汐破坏事件将恒星撕裂成稀组成部分(图源:Quanta Magzine)

黑洞吞星并无鲜见

科学家们每天可从大自然中观测到二十几糟糕潮汐破坏事件,其中的有些稀奇而持久。今年
6 月
,一桩上于 Nature Astronomy
期刊上的研究描述了从同组恒星中爆发出之 X
光射线,并将其说明为是一个适中黑洞正在吞噬恒星。同月,另一样组科学家于 Science
杂志上刊登了他们的研讨,认为她俩或者早已意识迄今最为显的潮汐破坏事件

假若这些发现的发出,与近来的潮汐破坏事件理论框架不断完善有着特别老之关联,因为即便于本年
5
月,一过多天体物理学家提出了潮破坏事件的新理论模型,解释了**
为何尽管偶不同潮汐破坏事件所呈现的特性不同,但它还或根据同一个的情理过程。**

天文学家们盼望能经过解码潮汐破坏事件,对天地中的黑洞进行同样赖普查。潮汐破坏事件经过以多数不可见黑洞的信“泄露”给天文学家,揭示了宇宙空间中的藏匿质量。而本次上于
Nature
Astronomy上之舆论,便阐述了哪些会通过潮汐破坏事件发现中间质量黑洞。这些中级质量黑洞之质地大约于几百单阳光及几百万单阳光之间。

除开理论及之迈入,实验学家们为以品尝对借潮汐破坏事件之章程开展实践,比如有人开始所以潮汐破坏事件研究黑洞内的情理,验证黑洞是否要广义相对论所预计的那么有事件视界(event
horizon)
。据广义相对论,在事变视界内的旁事件均无法对视界外之观察者产生影响。

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图 |
潮汐破坏事件产生之X光射线(图源:NASA)

再者,对于潮汐破坏事件之体察也在添,比如让当年
3 月于加州 Palomar
天文台的兹威基瞬变设备开始展开星空普查。此前的观赛发现每年会油然而生一样顶少单新的潮汐破坏事件,而随着未来观测资源的连投入,这同数字还是用升高一个数量级。

潮汐破坏事件观测法的先驱者之一,兹威基瞬变设备的潮汐破坏事件类主管,马里兰大学之
Suvi Gezari
说:“该领域确实正在蓬勃发展,如今底众人已经起当借潮汐破坏事件来扒宇宙中的隐蔽信息。”该伙以开的几乎独月都捕捉到了几乎单神秘的潮汐破坏事件。

潮汐破坏事件:黑洞将恒星撕裂“分食”

乘机越来越多之潮汐破坏事件让发觉,天文学家们既实现了
Martin Rees
最初的考虑,即由此潮汐破坏事件精确定位和钻研大型黑洞。但何以说潮汐破坏事件及预言这些潮汐破坏事件之物理属性目前还尚无定论。而是高于天文学家们预料的凡,一度知晓之潮汐破坏事件都各具特色,自成一头。有些像根本出紫外线和可见光,就比如是千篇一律团气体被烧到到了数万度过,有些则第一出
X-射线,温度比前者高起一个量级。但准测算,它们当具备同等的大体过程。

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希冀
| Suvi Gezari 的劳作证实了潮破坏事件之留存(图源:John T.
Consoli,马里兰大学)

无异于颗恒星在足接近黑洞后会见被抓走,黑洞的引力潮汐所产生的作用力大小超过了恒星的内引力,进而引发了潮破坏事件。换句话说,黑洞在恒星的近端和远端
(距黑洞中心的近远)
所招的引力差异,以及恒星在黑洞周围摆动时所于的惯性拉力,将恒星拉伸成了同样久“溪流”。

恒星的外半部分会规避回不过空,但密度较高的内半部分会旋入黑洞,升温并因辐射的款式释放出了不起能量。

哈佛-史密松天体物理中心之大自然物理学家,James
Guillochon
说:“潮汐破坏事件实际上就是恒星经过黑洞时吃牵涉的鬼则,最终让撕破。

虽说构想出了开的潮汐破坏事件形成理论,但当时尚不足以解释为何不同潮汐破坏事件中的距离如此斐然。有平等栽使认为,这和黑洞处于吞噬恒星内半有些的两样阶段有关。当恒星最初给撕开并累及伸成一修“溪流”时,它可能会见在黑洞周围跳弹并撞至自己轨迹的尾,这说不定会见如尾部加热至产生紫外线的温,但尾部温度不见面更变的可比当下又胜似。随后,在短则几独月,长则如出一辙年之日过后,这粒恒星会堆积成一个高速旋转的吸积盘(accretion
disk),理论及那热度应可以向外放出 X 射线。

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| ASASSN-14li
潮汐破坏事件恒星碎片聚集在黑洞周围吸积盘中(图源:NASA)

不过也在在另外可能的诠释,由尼尔斯玻尔研究所的
Jane Lixin Dai 团队和 Ramirez-Ruiz
认为,根据他们之仿,广义相对论造成影响还是能诠释这无异于问题,只需要调整着眼的角度,两种不同的潮汐破坏事件便生或见为同一形态。详尽来说,如果天文学家从顶部观测这类似高速旋转的转动,他们得以视来自内侧发热物质发生的
X 射线向外转悠。而当此盘处于黑洞边缘时,较凉的气会吸纳这些 X
射线并释放紫外线。

最终,理论家希望用不同之潮汐破坏事件还当是自同一物理过程,然后进行双重透之不利研究。Kochanek
说:“也许我们见面套到一些有关吸积(accretion)的基本知识,或许就如云朵之形态不一一样,潮汐破坏事件呢保有相近的而轻易变的表征。”

“一斑窥豹”:潮汐破坏事件透露黑洞信息

先前,那些超大质量,统治星系的黑洞被,只有约
10%见面坐兼并周围气体而发出辐射,剩余
90%对天文学家来说都是了不可见的。但潮汐破坏事件理论和着眼的随地成熟转了马上一点。

波恩马克斯普朗克射电天文研究所的天文学家,Komossa
希望能找到更多之重特大质量双黑洞系统,即有限只黑洞在两岸的星系碰撞后受迫呆在齐。在一个超大质量对黑洞系统被,当一粒恒星被摘除,流入一个黑洞时,另一个黑洞会牵扯这些为扯的恒星物质,**潮汐破坏事件就此会变的时暗示亮,而非稳定地慢慢变暗。**

也来组织想证明一个一发核心的,怪异的相关性——不知怎么,位居星系中央的黑洞与那主星系的质似乎会同时增加。Ramirez-Ruiz
说:“黑洞似乎知道星系的质量,而潮汐破坏事件可以增长或减这种相关性。”

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图 | Richo Ramirez-Ruiz(图源:Elena
Zhukova)

潮汐破坏事件还足以呢周围或的不行色黑洞谜题提供解释。虽然曾掌握最酷之黑洞的重量得以达成太阳之
100
亿加倍,但天文学家目前尚非亮较小的矮星系是否会见出于成比例之黑洞(数十万倍增太阳质量以下的黑洞)所统治。

Richo Ramirez-Ruiz
帮助创建了潮破坏事件的争辩模型,揭示了它们由不同方向为观察时所呈现的两样造型。

经潮汐破坏事件观测中等质量黑洞,还会帮忙天文学家进一步询问黑洞的演进过程。无异于篇被六月登载在 Nature Astronomy
的论文声称已经找到了一个这种中黑洞,重上数万阳光质量。论文中之潮汐破坏事件风波于
2003 年被发觉,在 2006
年达到顶峰,然后以过渡下的十年遭受渐渐削弱。在拖欠事件被,X
射线耀斑没有起在星系的骨干,而是出现于足打恒星合并中更是联合的地方。领导研究的新罕布什尔大学自然界物理学家,Dacheng
Lin 说:“我们用找到更多相似的波,以说明我们的结果。”

乘胜目标深入,潮汐破坏事件为开给用于证明由广义相对论所描述的黑洞是否可靠。比如,随着黑洞的质不断加码,广义相对论认为黑洞之轩然大波视界将稳定为他蔓延。但黑洞潮汐能够撕裂恒星的半径增加得重新慢,
Hills
质量(约为同亿倍太阳质量)的争辩极限中,黑洞内的摘除半径和那自之疆界完全重合,给潮汐破坏事件带来品质上限。
哥伦比亚大学之反驳天体物理学家,Nicholas
Stone 说:“在黑洞质量小于 Hills
质量之图景下,位于边界外之让破获恒星光会让黑洞撕裂,而以黑洞质量比较 Hills
质量好的情状下,被卷入边界外之恒星则会给通吞噬。”

幸存的观赛数据支撑这同设想,曾经解的潮汐破坏事件还有在重小于
Hills
质量之黑洞周围,这标志较重的物体或真正拥有相对论所预计的耳目

潮汐破坏事件以及爱因斯坦广义相对论

但 Nicholas Stone
和共事等盼望得到重新多之信息。他们觉得,一个比 Hills 质量重 10
倍之团团转黑洞可吞噬恒星。Stone
表示,于发现还多糟糕汐破坏事件后,天文学家们好考察到事件视界在黑洞质量逐步变死之景下日渐消亡,这吗会帮助他们了解旋转最抢之黑洞。

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祈求
| 位于年轻的星系核心之黑洞(图源:NASA)

黑洞旋转具有理论及的顶特别快,而其余变动得又快的黑洞的有且见面暨黑洞具有外边界的设想相悖,这将能断定广义相对论中对黑洞视界的讲述是否规范。

哼信息是,目前对应的相项目曾经起步,将以未来也这些问题提供答案。但这次和事先情况反而,Gezari
代表,Zwicky
瞬变设施时一度发现了过多的潮汐破坏事件,她计划集中精力和资源,对发生价的目标进行持续考察。

另外,一个旷日持久被推迟的德-俄并项目,eRosita
如果会以计划在 2019 年上线,应该会发现数百要么数千独发射 X
射线的新潮汐破坏事件。Komossa 参与合作之同一码中国任务,即计划为 2022
年发射的“爱因斯坦探针”。
要智利为正值打一模一样宝重型综合巡天望远镜,计划被
2022 年上线。

对 Ramirez-Ruiz
来说,该领域的迈入是现代“天体摄影”方式(用望远镜在夜摄影延时视频)所带动的必然结果。Ramirez-Ruiz
说:“潮汐破坏事件于一个星系被列一万年才发出同样次于,但咱今天曾观测了足够多的星系,该领域正处在同一栽‘爆炸式’的发展等。”

-End-

编辑:Peter 责任编辑:戴青

参考:

https://www.quantamagazine.org/star-swallowing-black-holes-reveal-secrets-in-exotic-light-shows-20180808/

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