天文学家观察黑洞恒星盛宴
麻省理工学院、哥伦比亚大学等地的天文学家利用美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）透过附近星系的尘埃，观察黑洞恒星盛宴的后果。
在今天发表在《天体物理学杂志快报》上的一项研究中，研究人员报告称，詹姆斯·韦伯太空望远镜首次观测到几次潮汐瓦解事件——星系中心的黑洞吸入附近的恒星，并产生潮汐力，将恒星撕裂，在此过程中释放出巨大的能量。
自20世纪90年代以来，科学家们观测到了大约100次潮汐瓦解事件（TDE），其中大部分是以X射线或可见光的形式掠过相对无尘埃的星系。但正如麻省理工学院的研究人员最近 报告的那样，宇宙中可能还有更多恒星撕裂事件“隐藏”在尘埃更多、气体覆盖的星系中。
在之前的工作中，研究小组发现，潮汐瓦解事件发出的大部分X射线和可见光会被星系尘埃遮蔽，因此传统的X射线和光学望远镜无法观测到。但同样的光线可以加热周围的尘埃，并以红外光的形式产生新的信号。
现在，同样的研究人员利用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）——世界上最强大的红外探测器——研究了来自四个尘埃星系的信号，他们怀疑这些星系发生了潮汐瓦解事件。在尘埃中，JWST 探测到了黑洞吸积的清晰痕迹。吸积是物质（例如恒星碎片）绕行并最终落入黑洞的过程。该望远镜还探测到了与活动星系周围尘埃截然不同的模式，在活动星系中，中心黑洞不断吸收周围的物质。
综合起来，这些观测证实了这四个星系确实发生了潮汐瓦解事件。此外，研究人员得出结论，这四次事件并非由活跃黑洞引起，而是休眠黑洞，它们在一颗恒星偶然经过之前几乎没有活动。
新结果凸显了詹姆斯·韦伯太空望远镜在深入研究原本难以发现的潮汐瓦解事件方面的潜力。它们也有助于科学家揭示活跃黑洞和休眠黑洞周围环境的关键差异。
“这是詹姆斯·韦伯太空望远镜首次观测到潮汐瓦解事件，它们看起来与我们之前所见的完全不同，”该研究的主要作者、麻省理工学院卡夫利天体物理与空间研究所的研究生梅根·马斯特森说道。“我们了解到，这些事件确实是由黑洞吸积驱动的，而且它们看起来不像正常活跃黑洞周围的环境。现在我们能够研究休眠黑洞环境的真实面貌，这令人兴奋不已。”
该研究的麻省理工学院作者包括 Christos Panagiotou、Erin Kara、Anna-Christina Eilers，以及哥伦比亚大学的 Kishalay De 和来自其他多个机构的合作者。
看到光明
这项新研究扩展了团队之前使用另一个红外探测器——NASA 近地天体广域红外巡天探测器（NEOWISE）任务——开展的研究。团队使用由论文合著者、哥伦比亚大学的 Kishalay De 开发的一种算法，搜索了该望远镜十年来的数据，寻找红外“瞬变”，即来自原本平静的星系的红外活动短暂峰值，这些峰值可能是黑洞短暂苏醒并吞噬一颗过往恒星的信号。这项搜索发现了大约十几个信号，团队确定这些信号很可能是由潮汐瓦解事件产生的。
“通过这项研究，我们发现了12个看起来像潮汐瓦解事件的源头，”马斯特森说。“我们提出了很多论点，认为这些信号能量非常高，而且这些星系之前看起来并不活跃，所以这些信号一定是突然发生的潮汐瓦解事件造成的。但除了这些小碎片外，没有其他直接证据。”
借助詹姆斯韦伯太空望远镜灵敏度更高的功能，研究人员希望能够辨别关键的“光谱线”，即特定波长的红外光，从而清晰地识别出与潮汐破坏事件相关的状况。
“通过 NEOWISE，就好像我们的眼睛只能看到红光或蓝光，而通过 JWST，我们可以看到完整的彩虹，”马斯特森说。
真实信号
在这项新研究中，研究小组专门寻找红外波峰，这种波峰只能由黑洞吸积产生——吸积是物质在循环气体盘中被吸向黑洞的过程。黑洞吸积会产生大量的辐射，其强度足以将单个原子中的电子释放出来。具体来说，这种吸积过程可以从氖原子中释放出多个电子，由此产生的离子可以跃迁，释放出詹姆斯·韦伯太空望远镜能够探测到的特定波长的红外辐射。
“宇宙中除了黑洞吸积之外，没有其他东西能够激发这种气体产生如此高的能量，”马斯特森说。
研究人员在之前确定的12个潮汐瓦解事件候选体中的4个中寻找这一确凿信号。这4个信号包括：迄今为止探测到的距离最近的潮汐瓦解事件，位于一个距离我们约1.3亿光年的星系中；一个同时伴有X射线爆发的潮汐瓦解事件；一个可能是由气体以极高速度围绕中心黑洞循环产生的信号；以及一个同时伴有光学闪光的信号，此前科学家怀疑这是超新星爆发或垂死恒星的坍缩，而非潮汐瓦解事件。
“这四个信号是我们能找到的最接近确定事件的信号了，”马斯特森说。“但詹姆斯·韦伯太空望远镜的数据帮助我们明确地断言，这些都是真正的潮汐力干扰事件。”
当团队利用德设计的程序，将詹姆斯·韦伯太空望远镜对准这四个信号星系时，他们观察到所有四个信号源都出现了明显的谱线。这些测量证实了这四个星系都发生了黑洞吸积。但问题依然存在：这种吸积是由潮汐瓦解和一个短暂苏醒并吞噬过往恒星的黑洞引发的暂时现象吗？还是说，这种吸积是“活跃”黑洞的一种更持久的特征，这些黑洞始终处于活动状态？如果是后者，潮汐瓦解事件发生的可能性较小。
为了区分这两种可能性，研究小组利用詹姆斯·韦伯太空望远镜的数据探测到了另一种红外光波长，这表明星系中存在硅酸盐或尘埃。随后，他们绘制了四个星系中这些尘埃的图像，并将其与活跃星系的图像进行了比较。已知活跃星系的中心黑洞周围存在团块状、甜甜圈状的尘埃云。
马斯特森观察到，这四个尘埃源与典型的活跃星系相比，呈现出截然不同的模式，这表明每个星系中心的黑洞通常并非活跃的，而是处于休眠状态。如果在这样的黑洞周围形成了吸积盘，研究人员得出结论，这一定是潮汐瓦解事件的结果。
“综合起来，这些观测结果表明这些耀斑唯一可能就是潮汐瓦解事件，”马斯特森说。
她和她的同事计划利用 NEOWISE、JWST 和其他红外望远镜，发现更多此前未被发现的潮汐瓦解事件。他们表示，如果探测到足够多的潮汐瓦解事件，潮汐瓦解事件可以作为黑洞特性的有效探测器。例如，恒星被撕裂的程度，以及其碎片被吸积和消耗的速度，可以揭示黑洞的基本特性，例如它的质量和旋转速度。
“黑洞吞噬所有恒星物质的实际过程需要很长时间，”马斯特森说。“这不是一个瞬间完成的过程。希望我们能够开始探索这个过程需要多长时间，以及当时的环境是什么样子。没有人知道，因为我们才刚刚开始发现和研究这些事件。”
这项研究得到了美国国家航空航天局的部分支持。
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