被黑洞撕裂的恒星的最终命运:以每小时2200万英里的速度变形

2022年07月14日 08:48 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

2019年,天文学家观察到了迄今为止最接近的一颗恒星在离一个大质量黑洞太近后被撕裂或“意大利面条化”的例子。质量比自身大100万倍的黑洞对类太阳恒星的潮汐破坏发生在距离地球 2.15 亿光年的地方。幸运的是,这是第一个足够明亮的此类事件,来自加州大学伯克利分校的天文学家可以检查来自恒星死亡的光学光线,特别是光线的偏振,以了解更多关于恒星被撕裂后发生的事情。

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他们在2019年10月8日的观测表明,这颗恒星的大部分物质被高速吹走--每秒高达1万公里(每小时2200万英里)--并形成一个球形的气体云,阻挡了黑洞吞噬恒星剩余部分时产生的大部分高能辐射。

早些时候,对这颗被称为AT2019qiz的爆炸的光学光的其他观察显示,这颗恒星的大部分物质在一股强大的风中向外抛出。然而,关于光的偏振的新数据,在事件最亮的时候,可见光或光学波长的偏振基本为零,向天文学家表明,该云很可能是球形对称的。

加州大学伯克利分校天文学教授、研究小组成员Alex Filippenko说:“这是第一次有人推断出潮汐意大利面条化的恒星周围气体云的形状。”

这些发现支持了一个答案,即为什么天文学家在迄今为止观察到的数十次潮汐破坏事件中没有看到高能辐射,如X射线:X射线是由从恒星上撕下的物质产生的,在落入黑洞周围的吸积盘中,被黑洞的强风向外吹的气体所遮挡。

这项研究的主要作者、加州大学伯克利分校的研究生Kishore Patra说:“这项观察排除了理论上提出的一类解决方案,给我们提供了一个关于黑洞周围气体发生情况的更强约束。人们已经看到了风从这些事件中出来的其他证据,我认为这个偏振研究肯定使这个证据更加有力,在这个意义上,如果没有足够数量的风,你就不会得到一个球形的几何。这里有趣的事实是,恒星中相当一部分向内旋转的物质最终并没有落入黑洞--它被吹离了黑洞。”

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许多理论家假设,恒星碎片在中断后形成一个偏心的、不对称的圆盘。然而,一个偏心盘预计会显示出相对较高的偏振程度,这将意味着也许总光的百分之几是偏振的。在这次潮汐破坏事件中没有观察到这种情况。

团队成员、加州大学伯克利分校天文学副教授卢文斌说:“一个超大质量黑洞能做的最疯狂的事情之一就是通过其巨大的潮汐力来撕裂一颗恒星。这些恒星潮汐破坏事件是天文学家了解星系中心超大质量黑洞的存在并测量其属性的极少数方法之一。然而,由于数值模拟此类事件的计算成本极高,天文学家仍然不了解潮汐破坏后的复杂过程。”

11月6日,也就是10月观测的29天后,第二组观测显示,光线的偏振非常轻微,大约为1%,这表明云层已经变薄,足以显示出黑洞周围的不对称气体结构。这两次观测都来自加州圣何塞附近的利克天文台的3米Shane望远镜,该望远镜装有 Kast 光谱仪,这种仪器可以在整个光学光谱上确定光的偏振。当光从气体云中的电子上散射下来时,它就变成了偏振--其电场主要朝一个方向振动。

Patra说:“吸积盘本身很热,足以发出大部分的X射线,但是这些光必须穿过这片云,在它能够逃出这片云之前,有许多光的散射、吸收和再发射。随着这些过程中的每一个,光失去了它的一些光子能量,一直到紫外线和光学能量。然后,最后的散射决定了光子的偏振状态。因此,通过测量偏振,我们可以推断出发生最终散射的表面的几何形状。”

Patra指出,这种“死亡床”的情况可能只适用于正常的潮汐破坏--而不是"怪球",在这种情况下,相对论的物质射流被驱逐出黑洞的两极。只有对来自这些事件的光的偏振进行更多的测量才能回答这个问题。

他说:“偏振研究是非常具有挑战性的,而且全世界很少有人精通这种技术来利用它。所以,对于潮汐干扰事件来说,这是一个未知的领域。”

研究人员在一篇已经发表在《皇家天文学会月刊》上的论文中报告了他们的观察。

加州大学伯克利分校的研究人员计算出,偏振光是从一个半径约为100天文单位(au)的球形云的表面发出的,比地球离太阳的距离远100倍。来自热气体的光学辉光从一个大约30au的区域发出。

2019年的光谱偏振观测--一种测量许多波长的光的偏振的技术--是对AT2019qiz的观测,这是一个位于埃里达努斯星座的螺旋星系中的潮汐破坏。10月份整个光谱的零偏振表明了一个球形对称的气体云--所有的偏振光子相互平衡。11月的测量结果的轻微偏振表明有一个小的不对称性。由于这些潮汐扰动发生在遥远的星系中心,所以它们只显示为一个光点,而偏振是天体形状的少数指示之一。

Filippenko说:“这些破坏事件非常遥远,你无法真正解决它们,所以你无法研究事件的几何形状或这些爆炸的结构。但是研究偏振光实际上有助于我们推断出关于该爆炸中物质分布的一些信息,或者在这种情况下,这个黑洞周围的气体--可能还有吸积盘--是如何形成的。”

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