研究表明：黑洞也会“反刍”？
研究表明：黑洞也会“反刍”？
“把一颗恒星扔进黑洞会发生什么？”这不是一个我们在地球上可以回答的问题。
谢天谢地，疯狂的科学家也没办法把黑洞和恒星放在一起。然而科学家可以利用先进的计算机模型来模拟黑洞吞噬恒星的过程，这种现象被称为“潮汐瓦解事件”（TDE）。莫纳什大学的丹尼尔·普莱斯研究团队通过模拟发现，我们开头问出的问题的答案是“事情会变得非常混乱。”
普莱斯表示: 黑洞并不能吞噬太多东西，就像我在吃了辣咖喱后，很多东西无法被消化，便以“剧烈喷发”的形式释放出来了。我们在潮汐瓦解事件中也观察到类似现象——强烈的喷流，相对低且恒定温度的物质，以及极大的喷射面积。
模拟显示黑洞撕裂并吞噬一颗不幸的恒星后将其‘喷出’，就像‘吃坏了的咖喱’一样(Image credit: Daniel Price (2024))
如果这还不够“下饭”，那你可以想象一个充斥着酒精和变质咖喱的糟糕周六夜晚，黑洞在醒来时会被一层由其“反刍“的物质组成的结构所包围，这种结构被称为“爱丁顿包层”。
“我们有一个新的实验结果，那就是在恒星被撕裂的过程中，黑洞会被物质淹没”普莱斯解释道，“这一现象的发生被预言过，但我们通过模拟气体动力学，首次展示了它是如何发生的。”
意大利面和咖喱？难怪黑洞吃不消！
潮汐瓦解事件（TDE）会在恒星靠近位于大型星系中心的超大质量黑洞时发生。
“恒星在穿越星系时会互相作用，导致它们的轨道受到轻微扰动。极小的概率下(每十万年一次)，一颗恒星会受到足够强烈地撞击，最终被黑洞捕获并朝其坠落。”普莱斯解释道，“问题的关键是恒星只会受到轻微的撞击，因此类似彗星冲向太阳，它们通常沿抛物线轨道靠近黑洞，这些轨道非常难以模拟。”
一旦恒星过于靠近超大质量黑洞，这个宇宙巨兽的巨大引力就会产生强大的潮汐力，使恒星在水平方向上被压扁，在垂直方向上被拉长。
这一过程被称为“意大利面条化”，它将恒星变成了明亮的星际物质面条或者说“等离子体”面条。这些物质像意大利面缠绕在叉子上一样，围绕着黑洞旋转。在这个被称为“吸积盘”的扁平超热等离子体云中，超大质量黑洞逐渐“进食”。
潮汐瓦解事件及围绕黑洞的恒星碎片盘会产生强大的电磁辐射，使天文学家有可能研究这些现象。然而，关于潮汐瓦解事件仍然有许多谜团尚待解开。
一项模拟展示了潮汐瓦解事件（TDE）在5天、110天、173天、295天和315天时的演化情况 (Image credit: Daniel Price (2024))
为了深入研究TDE的复杂细节，普莱斯及其团队进行了首次自洽模拟，来追踪恒星被超大质量黑洞潮汐瓦解后形成的碎片在一年内的演化过程。他们使用了一种先进的粒子流体动力学模拟器来完成这一任务。
“我们在电脑里把一颗恒星扔向了黑洞，”普莱斯说道。“详细来说，我们花了很长时间来实现爱因斯坦广义相对论的效应，这个理论可以描述黑洞附近的时空。我们的模拟为恒星靠近超大质量黑洞的最后时刻提供了新的视角。”
模拟显示，TDE期间产生的恒星碎片会在黑洞周围形成一个不对称的气泡。这导致能量再生，产生温度较低、亮度较弱的光辐射。
研究团队还发现，这些气体以每秒1至2万公里的速度在超大质量黑洞周围运动，这是海平面声速的约6万倍，是光速的7%左右。“这项研究有助于解释一些观察到的TDE现象，”普莱斯说道。“我们可以用人体做类比：当我们吃午餐时，体温并不会有太大变化，这是因为我们将午餐的能量以红外波形式释放。”
“TDE也是如此；我们大多数情况下并没有直接看到黑洞吞噬气体的过程，因为它被物质所覆盖，这些物质在可见光波长上重新释放辐射，我们的模拟展示了这种覆盖是如何发生的。”普莱斯补充说道，模拟中的能量重新分布和黑洞被覆盖的现象解释了关于TDE的一大观测谜团，即为什么它们主要在可见光波长而非X射线波长上进行辐射。
这些发现还解释了许多其他TDE的谜团，包括为什么恒星撕裂事件的光线比预期的要暗，以及为什么这些物质似乎以百分之几的光速向我们移动。
至于未来，团队的这次模拟研究为人们留下了许多值得深思的问题。“还有很多值得探索的地方。一旦薇拉·鲁宾天文台开始运行，我们预计在未来十年内会观测到成千上万的瞬态事件，”普莱斯总结道。“我们需要对各种类型的恒星和不同质量的黑洞进行类似的模拟，以便解释不同的观测事件。”