天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)一顆紅巨星被黑洞的潮汐力所撕裂
2010年發(fā)現(xiàn)的NGC300星系中“潛伏”黑洞正在汲取伴星物質(zhì)
位于夏威夷的全景巡天及快速反應(yīng)系統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡
歐洲南方天文臺(tái)繪制的超新星1987A爆發(fā)3D圖像
南天著名的船底座星云中存在大量的星際氣體
M87星云中存在的活動(dòng)星系核
據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)星系的中央通常“潛伏”這巨大而恐怖的黑洞，其質(zhì)量相當(dāng)于太陽(yáng)質(zhì)量的數(shù)百萬(wàn)倍乃至數(shù)十億倍。一般情況下，黑洞猶如一只大型“宇宙怪物”靜悄悄的游動(dòng)著，直到毫無(wú)防范的獵物通過(guò)它的引力范圍，比如一顆恒星，強(qiáng)大的引力足以撕裂這顆恒星。天文學(xué)家此前發(fā)現(xiàn)過(guò)這些“恒星兇殺案”，但是這回他們第一次確定了受害者的詳細(xì)情況。
位于馬里蘭州巴爾的摩的約翰霍普金斯大學(xué)天文學(xué)家蘇維·戈扎里（SuviGezari）通過(guò)使用一系列的陸基和空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)“恒星兇殺案”進(jìn)行探索，戈扎里也是本項(xiàng)研究的首席科學(xué)家。初步觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，這顆受害者天體是一顆充滿(mǎn)氮?dú)獾暮阈牵嚯x我們的銀河系大約27光年。該團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果已經(jīng)刊登在5月2日出版的網(wǎng)絡(luò)版《自然》雜志上。
當(dāng)一顆恒星落入黑洞的引力作用范圍之內(nèi)時(shí)，恒星的物質(zhì)就會(huì)被引力撕開(kāi)，部分物質(zhì)落入黑洞中，而剩余的部分則會(huì)以非常高的速度運(yùn)動(dòng)著。隨著時(shí)間的推移，我們將會(huì)看到恒星的氣體物質(zhì)在墜入黑洞時(shí)所發(fā)出的光芒。通過(guò)分析噴流的光譜特征，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了其中含有大量的氮，這就如同我們?cè)趶姆缸铿F(xiàn)場(chǎng)收集這宗“恒星兇殺案”的證據(jù)?？茖W(xué)家之所以可以認(rèn)定黑洞噴流中的氣體是那顆被“謀殺”了的恒星，不僅僅是因?yàn)樘綔y(cè)到大量的氮，由于其中所含的氫較少，這條線(xiàn)索進(jìn)一步證明了被撕裂的部分為那顆富含氮的恒星核心。
這項(xiàng)對(duì)黑洞的探測(cè)計(jì)劃為科學(xué)家清晰地顯示出黑洞周?chē)岬目臻g環(huán)境，以及環(huán)繞在黑洞周?chē)氖呛畏N恒星。對(duì)比以往的觀測(cè)研究，這并不是第一次發(fā)現(xiàn)一顆“倒霉”的恒星碰到黑洞這個(gè)龐然大物，天文學(xué)家蘇維·戈扎里與她的研究小組認(rèn)為恒星在進(jìn)入黑洞的引力作用范圍之內(nèi)，恒星核區(qū)被充滿(mǎn)氮?dú)獾沫h(huán)境所包圍，而黑洞想要撕裂并汲取恒星核心的物質(zhì)，需要很長(zhǎng)一段時(shí)間。
在科學(xué)家的觀測(cè)記錄中，恒星可能已經(jīng)接近生命的終點(diǎn)，在消耗完大多數(shù)的氫燃料之后，恒星的體積可能猛然膨脹，變成一顆紅巨星。天文學(xué)家進(jìn)一步對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行研究，認(rèn)為體積上膨脹而臃腫的恒星在環(huán)繞黑洞的運(yùn)行過(guò)程中，其軌道將逐漸過(guò)渡到高橢圓軌道，即距離黑洞較近軌道近端和距離黑洞較遠(yuǎn)的軌道遠(yuǎn)端，類(lèi)似與一顆彗星圍繞太陽(yáng)進(jìn)行周期運(yùn)動(dòng)的扁平而細(xì)長(zhǎng)的軌道。
當(dāng)恒星已經(jīng)膨脹的恒星運(yùn)行至軌道近端時(shí)，黑洞強(qiáng)大的引力開(kāi)始瘋狂地剝離恒星的外層大氣，但是恒星的核心仍然不會(huì)受到影響。在這場(chǎng)“引力拔河”中，恒星上的物質(zhì)不斷濺落到恒星吸積盤(pán)上，這趟旅程必然是單程的，直到這顆恒星全部的物質(zhì)都被黑洞這個(gè)龐然大物汲取殆盡，面臨最終的滅亡。
蘇維·戈扎里指出：天文學(xué)家們目前已經(jīng)預(yù)測(cè)到在銀河系中央附近存在超大質(zhì)量的黑洞，而且被剝離外層大氣物質(zhì)的恒星環(huán)繞著黑洞運(yùn)行，如此距離的相遇是一個(gè)較為罕見(jiàn)的現(xiàn)象，其發(fā)生概率大約為每10萬(wàn)年一次。為了尋找真實(shí)存在的案例，蘇維·戈扎里的研究小組通過(guò)隸屬于美國(guó)國(guó)家航空航天局的星系演化探測(cè)器(GALEX)監(jiān)測(cè)了數(shù)十萬(wàn)個(gè)星系的紫外線(xiàn)特征。值得一提的是，星系演化探測(cè)器是一個(gè)強(qiáng)大的空間天文臺(tái)，工作在紫外線(xiàn)波段，而位于夏威夷的全景巡天望遠(yuǎn)鏡及快速反應(yīng)系統(tǒng)1號(hào)望遠(yuǎn)鏡（Pan-STARRS）則負(fù)責(zé)在可見(jiàn)光波段上進(jìn)行探測(cè)。
全景巡天望遠(yuǎn)鏡及快速反應(yīng)系統(tǒng)1號(hào)望遠(yuǎn)鏡由四臺(tái)1.8米口徑的望遠(yuǎn)鏡陣列組成，配合14億像素的CCD相機(jī)進(jìn)行巡天，其探索目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)天空中瞬間出現(xiàn)的天體現(xiàn)象，包括超新星爆發(fā)。研究小組那時(shí)正在尋找從“潛伏”有休眠狀態(tài)黑洞的星系中央核區(qū)釋放出來(lái)的明亮紫外線(xiàn)，他們?cè)?010年6月發(fā)現(xiàn)一個(gè)這樣的天體，而且是兩部望遠(yuǎn)鏡同時(shí)探測(cè)到該物體的信號(hào)。此后，空間望遠(yuǎn)鏡與陸基望遠(yuǎn)鏡繼續(xù)檢測(cè)這束神秘的紫外信號(hào)，在一個(gè)月后信號(hào)達(dá)到峰值，然后在未來(lái)的12個(gè)月內(nèi)持續(xù)衰弱。
對(duì)于所發(fā)現(xiàn)的神秘紫外信號(hào)，在“亮度”上與超新星非常相似，但是沖到峰值花的時(shí)間太長(zhǎng)了，達(dá)到一個(gè)半月的時(shí)間。根據(jù)位于馬里蘭州巴爾的摩的太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)科研所（STScI）科學(xué)家阿米尼·雷斯特（ArminRest）介紹：“如此長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)而達(dá)到峰值的紫外信號(hào)使我們對(duì)其產(chǎn)生了濃厚的興趣，因?yàn)槲覀円庾R(shí)到它要么是一顆極不尋常的超新星，要么是完全不同類(lèi)型的天體事件，比如一顆恒星正在被黑洞剝離物質(zhì)等。”
接著，科學(xué)家測(cè)量了這個(gè)神秘物體在“亮度”上的增加，計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)是一個(gè)質(zhì)量達(dá)數(shù)百萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)的黑洞，其大小可比肩銀河系中所發(fā)現(xiàn)的黑洞。通過(guò)使用位于亞利桑那州霍普金斯山上的多鏡面望遠(yuǎn)鏡（MMT）對(duì)其進(jìn)行了光譜分析，結(jié)果顯示這個(gè)黑洞正在吞噬大量的氮?dú)?。分光鏡將遙遠(yuǎn)天體的光線(xiàn)分成彩虹般的顏色，其中就蘊(yùn)藏了該物體的基本特征，比如表面溫度以及氣體組分等。
蘇維·戈扎里認(rèn)為發(fā)光的氮?dú)庠诤诙次e這樣的炙熱事件中是一個(gè)很好的“示蹤元素”，為我們揭示了恒星物質(zhì)的來(lái)龍去脈。然而，科學(xué)家并沒(méi)有在光譜中發(fā)現(xiàn)氫元素的存在，這就意味著不存在該元素所對(duì)應(yīng)形成的氣體。此外，在星系中央核區(qū)附近還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這樣的氣體以及行為，很明顯來(lái)自恒星內(nèi)核的物質(zhì)已經(jīng)被黑洞“處理”了，該事件還沒(méi)有任何理論可以輕易對(duì)其進(jìn)行解釋。
科學(xué)家所探測(cè)到氣體的運(yùn)行速度可關(guān)聯(lián)到在黑洞引力的拖拽下物質(zhì)，多鏡面望遠(yuǎn)鏡測(cè)量結(jié)果顯示，氣體移動(dòng)的速度超過(guò)每小時(shí)2000萬(wàn)英里，大約為3200萬(wàn)公里每小時(shí)。然而，往常所測(cè)量的星際介質(zhì)中氣體的運(yùn)行速度只有22.4萬(wàn)英里每小時(shí)，大約為36萬(wàn)公里每小時(shí)。
雷斯特認(rèn)為：“在宇宙的其他事件中我們也看到類(lèi)似的氣體運(yùn)行速度，如超新星爆發(fā)。”但事實(shí)上，從紫外輝光信號(hào)上我們可以斷定是它不符合我們所知道的任何類(lèi)型超新星。為了完全排除其是否為星系中活動(dòng)星系核的可能性，該研究小組使用了美國(guó)國(guó)家航空航天局的錢(qián)德拉X射線(xiàn)空間天文臺(tái)，對(duì)炙熱氣體進(jìn)行了研究。錢(qián)德拉的觀測(cè)結(jié)果顯示該氣體行為同樣不符合活動(dòng)星系核的特征。
據(jù)天文學(xué)家蘇維·戈扎里介紹：這是我們第一次掌握了在宇宙那個(gè)地方所發(fā)生事件的眾多證據(jù)，現(xiàn)在我們把各條線(xiàn)索拼接起來(lái)，找出隱藏在幕后的真兇---黑洞，并確定出那顆倒霉恒星的身份。這項(xiàng)觀測(cè)研究使我們得到了啟示，明確了在未來(lái)宇宙探索中發(fā)現(xiàn)此類(lèi)事件應(yīng)該如何收集“證據(jù)”。
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