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    被黑洞撕碎?

    2017年3月13日 来源: 互联网

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    天文学家们表示,长时间被误认为的最亮的超新星其实并不存在。取而代之的是一个大质量黑洞将一颗恒星撕碎的过程。而且这个过程只有在黑洞旋转时才会发生。

    被黑洞撕碎?

    当一颗恒星飞向一个高速旋转的、大质量的黑洞,它会被黑洞的引力撕碎。虽然这个黑洞拥有1亿倍太阳的巨大质量,但是由于旋转,椭圆的视界只有大约200倍恒星质量的力去撕碎这个恒星。恒星中物质的温度快速的升高并发出强光。

    2015年6月,全天自动超新星探索项目(all sky automated survey for supernovae,简称ASASSN)的两个位于智利的14厘米口径望远镜发现一个点状天体,其位于星图南方的一个星系里。

    被黑洞撕碎?

    智利的14厘米口径望远镜发现一个点状天体——ASASSN-15lh

    这个光度只有17星等的目标并不是十分的显眼,但是在接下来的观察中,该目标(命名为ASASSN-15lh)与星系之间z=0.233的红移表明:它们之间的相隔了38亿光年,并由此计算出ASASSN-15lh的绝对星等为-23,5。这是至今为止观察到最亮的超新星光度的两倍,一个标准Ia型超新星光度的200倍,也是银河系所有恒星光度之和的20倍。“若是把它放在我们的银河系里,它将会比满月还要明亮”,俄亥俄州立大学的Krzysztof Stanek 和ASASSN团队的成员解释道。

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    一颗恒星被黑洞撕碎。恒星中的物质变热,并开始剧烈的发光。图中的顺序展示了这个过程。

    于是人们便开始推测这个天体拥有如此强光度的原因。对于一个标准的超新星,大部分爆发发出的光来源于膨胀的气壳中抛射出的镍-56 —一种大量存在于大质量恒星中的同位素—衰变放出的放射线。然而对于ASASSN-15lh来说,它含有的镍-56元素太多,以致于超出超新星模型的极限。

    对于这种特别亮的超新星有一个通俗的解释,叫做极超新星。在一些巨星坍缩的最终阶段变成所谓的磁星。它们是燃尽的,快速旋转的,大质量的并有中子星密度的天体,而且它们的磁场强度大大强于一般的脉冲星。磁星的磁场使超新星爆发的能量变得更强,从而发出更强的光亮。然而ASASSN-15lh对于这个磁星模型来说仍是个极端情况。

    在爆发后的最初四个月里,ASASSN-15lh一共释放出了1.1×10∧45J的能量。为了解释这些能量,人们必须对一个标准的磁星模型的数据作出修改。此外ASASSN-15lh在光度减弱后并没有趋于平静:爆发大约60天后它又变得明亮了。特别是在紫外线波段中尤为明显,ASASSN-15lh的光度在130天后达到了第二个峰值(大约20星等)。

    被黑洞撕碎?

    2015年6月5日最大值后的ASASSN-15lh的光变曲线显示了,在60天后紫外线波段中光度再次上升。这个情况一方面说明了黑洞的旋转,另一方面显示了该恒星发生了潮汐瓦解事件(TDE)。

    比较两次峰值,人们也观察了一些普通的超新星,即超新星爆发产生的运气与一些星际物质或云气相撞的情况。通过这样的相撞必然会产生清晰的发射谱线,然而在ASASSN-15lh中却没有这样的痕迹。ASASSN-15lh的周围环境也与标准的超新星有违:人们在ASASSN-15lh的中心附近发现了一个虽然具有很大质量,但是却没有恒星诞生的不活跃的星系。极超新星大多会在年轻的、活动的星系中被发现:大质量的恒星在那里诞生,也就有可能在那里爆炸。

    被潮汐力所毁灭

    在2016年年底,以色列Weizmann学院,丹麦暗宇宙研究中心的 Gioros Leloudas和《自然天文(Nature Astronomy)》杂志的一些同事们给出了另一个可能的答案。虽然以一颗恒星的死亡来解释爆发是可行的,但也绝不是这样一颗巨星。发出辐射的原因也许是一颗经历过潮汐瓦解事件(TDE,tidal disruption event)的类似太阳的恒星。

    通过TDE一颗恒星会被一个黑洞的潮汐力撕碎。恒星的碎片因此会聚集在引力中心周围的一个圆盘上,并且最终落入黑洞中。Leloudas和他的同事们描述道:就同这十个月以来从ASASSN-15lh观察得到的,恒星的碎裂、物质的升温和向黑洞中跌落都会产生辐射。在他们的方案里不仅考虑发射谱线在光谱上的误差也解释了在不活跃星系中心ASASSN15-lh的状况。而接下来的观察证明了这一事实,ASASSN-15lh的状态在其所属星系的计算框架下是相符的,就像大部分星系一样,中心存在一个大质量的黑洞。

    通过这个星系的质量可以推算出黑洞的质量有1亿倍太阳质量。但是有一个问题:一个如此大质量的黑洞在把一颗类似太阳的恒星撕碎之前,就会把这个恒星完全吞噬。因为黑洞的潮汐半径在它的视界内。而为什么放出的辐射也能够逃脱黑洞的引力?

    对于这个难题,Leloudas和他的团队给出了一个理想的答案:这个黑洞是旋转的。这种旋转的黑洞被称为“克尔黑洞”,这是由新西兰数学Roy Patrick Kerr的名字命名的。对于这种黑洞,其事件视界的范围将会进一步扩大。通过自转和周围恒星的公转,旋转黑洞的视界将会变成得椭圆。旋转的黑洞不仅是广义相对论的一个可行解,在天体物理上同样不可或缺:只有用爱因斯坦方程的克尔解才能将黑洞周围的效应解释清楚。在引力的波的证明下我们也能发现黑洞的自转。对于这种情况,通过观察ASASSN-15lh得到的信息,将会用于研究黑洞的自转状态,以及成为克尔黑洞存在的证据。

    被黑洞撕碎?

    一个旋转黑洞,克尔黑洞椭圆的视界示意图。

    虽然TDE不能解释所有的观察:所以观察到的爆发时的光谱构造仍旧让人难以理解。研究人员们也直接的表态:“结合所有数据我们不能100%的肯定的说,ASASSN-15lh是一起潮汐瓦解事件”。Leloudas表示“但是我们离证明它的距离不远了。”

    作者:简·哈滕巴克 (Jan Hattenbach)

    德文翻译:系外行星地瓜君

    校译:解仁江

    编排:邱煜欣

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