隐蔽的猎杀——潮汐瓦解事件

在广袤的宇宙空间里，有一颗太阳质量大小的恒星在漫无目的地逡巡，周围是一片漆黑似乎并没有什么异常。然而，很多年来它却一直能感受到一股强大的外部引力。突然，这股引力莫名地变强并开始撕扯恒星，很快这颗恒星已无法继续通过自身引力保持完整，一侧的身体首先被撕碎；被撕碎的恒星碎片形成长长的细流，向黑暗的尽头奔去，并在尽头处亮起蒙蒙的光辉，一场星际“猎杀”拉开了帷幕，舞台中央是一个百万倍太阳质量的黑洞。

黑洞撕裂恒星过程(艺术图)  | 来源：ESO/M. Kornmesser

以上场景基于2019年观测到的真实事件——“AT2019qiz”，距离地球2.15亿光年之外一颗恒星被超大质量黑洞撕裂吸积的全过程。这是目前距离我们最近的潮汐瓦解事件（Tidal Disruption Event，TDE），也是迄今整个过程被了解得最为清晰的TDE之一。

什么是TDE？

现在普遍认为，所有星系的中心都有黑洞。但50年前，人们并不清楚黑洞是否存在于所有星系中心。由于黑洞的引力极强，黑洞视界面（对静止黑洞来说即施瓦西半径）：

内所有物质包括光都无法逃脱黑洞的引力束缚，所以，我们是无法直接看到黑洞的。100万倍太阳质量的黑洞的施瓦西半径约为300万公里。

也正是由于极强引力，可以通过探测黑洞对周围物质环境的影响来间接证明黑洞的存在。英国天文学家Martin Rees在1988年提出了用TDE检测的办法。如果恒星运动到黑洞潮汐半径处：

对一个与太阳大小、质量都相当的恒星和一个100万倍太阳质量的黑洞，这个值约为7000万公里。恒星受到的潮汐力大于自身的引力，被撕裂瓦解成恒星碎片，发生TDE。瓦解后约一半恒星碎片围绕黑洞形成吸积盘，产生持续数月甚至数年的X射线辐射耀发现象，从而探知星系中心黑洞的存在。

说到这里大家可能会有疑问，在《星际穿越》电影里，适合人类居住的候选行星中，有颗位于卡冈图雅黑洞视界面附近，为什么它没有被撕裂呢？首先，行星的半径相比恒星而言要小的多，所以黑洞撕裂行星的潮汐半径比较小。其次，黑洞视界面随黑洞质量的增长比潮汐半径要快，当黑洞质量大到一定程度的时候，视界面会大于潮汐半径。卡冈图雅黑洞约1亿倍太阳质量，此时的黑洞视界面大于撕裂行星的潮汐半径，所以我们看不到行星被撕碎的现象。或许在某个时刻，卡冈图雅会悄无声息地将行星“一口”吞没。

由上可知，TDE的发生，对黑洞质量，被撕裂对象都有着严格要求。对于太阳质量大小的恒星，能够产生TDE的静止黑洞质量一般为100万到1亿倍太阳质量。目前观测到的TDE发生概率，与理论预测一致：约1万年到10万年，一个星系会发生一次TDE。

TDE的多波段观测

TDE的理论很快被证实，1990年ROSAT卫星在星系NGC 5905中第一次观测到TDE现象。之后各个波段的空间和地面望远镜也都加入到发现TDE的战队。

〇 X射线波段可以判断黑洞周围是否有吸积盘生成。Chandra、XMM-Newton空间X射线望远镜、Swift卫星都是探测TDE利器。特别是Swift，发现了很可能是相互绕转双黑洞产生的TDE。

〇 紫外和光学波段也会有强烈的耀发，其中的谱线更有助于探测TDE是否有外流产生。紫外波段的星系演化探测器GALEX  (The Galaxy Evolution Explorer)在2006年发现第一例紫外的TDE (GALEX-D3-13)。地面的斯隆巡天SDSS(Sloan Digital Sky Survey)通过光学波段突然出现的谱线，在2008年发现首例光学TDE（SDSS J0992）。

〇 红外波段可以揭示黑洞周围环境的介质如何受TDE的影响。广域红外探测器WISE（Wide-Field Infrared Survey Explorer）于2016年第一次探测到了TDE (ASASSN-14li)的红外信号。

〇 射电波段则可以直接证实外流的存在。2011年增容甚大阵EVLA (Expanded Very Large Array)通过5.8 GHz的射电观测证认了第一例有喷流的TDE（Swift J1644+57）。

还原AT2019qiz

对AT2019qiz的细节了解，离不开从地面到空间多个波段的望远镜对撕裂全过程的光度变化和光谱的联合观测。此次的参与设备有：兹维基瞬变源巡天ZTF、小行星陆地撞击持续报警系统ATLAS-0.5m、Las Cumbres天文台南北望远镜LCO-2m、新技术望远镜NTT-3.6m、多镜面望远镜MMT-6.5m、威廉·赫歇尔望远镜WHT-4.2m、利物浦望远镜LT-2m、凯克望远镜Keck-10m等光学望远镜和雨燕天文台Swift卫星（X射线）、澳大利亚密集阵列望远镜ATCA（射电）等。

假设人眼可以直接看到“AT2019qiz”, 大概只会发现“变亮了”，“嗯，又变暗了”，因为人类眼睛的3种感色细胞峰值敏感区域仅在红、绿、蓝三个狭窄波段（如图），获得的信息有限。如果能像螳螂虾那样拥有16种感色细胞，也许就可以直接肉眼看到TDE的更多细节，比如突然出现的外流等等。其实，在3000-8000Å的光学波段范围内有很多光谱特征，依靠光谱仪监测可以细致地根据光度变化和谱线特征来推测出恒星被撕裂后黑洞周围的变化。

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不同设备的多时段光学光谱（d表示天）^[2]

恒星被撕裂后，恒星碎片逐渐朝黑洞流过去，在其周围形成吸积盘。物质在盘上旋转摩擦，释放引力能。盘的温度不断升高，发出强烈的X射线，加热黑洞周围气体，光球增亮，以2000公里每秒的速度膨胀。同时，两股迅猛的外流从盘的两极冲出，速度高达每秒3000到10000公里。

热光度、光球温度和光球半径的变化（0为峰值时刻）^[2]

黑洞周围变得越来越亮，一个月后达到了顶峰，亮度足有太阳的100亿倍！光球半径足有50个日地距离！之后，光度终于开始缓慢下降。光球先保持大小不变，温度开始下降，直到大约15000 K，而外流也逐渐消失。接着，光球开始收缩。之后的两个月里，黑洞周围的这些活动才逐渐消失，恢复宁静。至此，黑洞完成了此次吞噬恒星的猎杀。

事件历经6个月的时间，光度变化接近1000倍，在目前的TDE观测中，属于快速演化系列。而原先的那颗恒星，大约只有四分之一的物质能够逃离，冀望能当一个安安静静的小矮星。

TDE观测的未来展望

目前的TDE观测呈现出丰富的表现形式：在光变持续时间上，TDE的观测光变时标在年的量级。但此次的“AT2019qiz'在光度上升1个月到达峰值后，5个月时间内光度便下降到原来水平，是快速演化的TDE，仅次于下降最快的iPTF16fnl。而2011年的一篇工作中，发现TDE SDSS J1500有着11年的长期光变。在多波段观测方面，光学波段发现的源，X射线波段的辐射普遍比较暗,但也有观测到3例X射线辐射较亮的光学发现源。

关于TDE统一理论模型的构建，仍需要未来各个波段联合观测。随着观测样本的增加，我们将慢慢见识到超大质量黑洞这个隐形猎手的各种手段，或快速撕碎吞咽一颗恒星，或慢慢啜食一朵飘过的云。

参考资料：

[1] Saxton, R., Komossa, S., Auchettl, K., and Jonker, P. G., “X-Ray Properties of TDEs”, Space Science Reviews, vol. 216, no. 5, 2020.

[2] Nicholl, M., “An outflow powers the optical rise of the nearby, fast-evolving tidal disruption event AT2019qiz”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 499, no. 1, pp. 482–504, 2020.

作者简介

韩园珍，中国科学院紫金山天文台硕士研究生，研究方向：紫外与X射线光谱研究。

主编：毛瑞青

轮值主编：张水乃

编辑：王科超