撰文?S·布拉德利·岑科（S. Bradley Cenko）

         尼爾·格雷爾斯（Neil Gehrels）

翻譯?董燕婷?李東悅

審校?茍利軍

在銀河系和其他幾乎每一個大星系的中心,，都潛藏著一個深層的宇宙奧秘——一個超大質(zhì)量黑洞,。這些天體把數(shù)百萬至數(shù)十億個太陽的質(zhì)量壓縮到比太陽系還小的區(qū)域內(nèi)，它們是如此奇怪,，以至于看起來非常神秘,。還沒有科學(xué)家能夠解釋,，自然界是如何將這么多物質(zhì)壓縮到如此小的空間中。但可以肯定的是,，超大質(zhì)量黑洞伸出了無形的“引力之手”,，以深刻而微妙的方式影響周圍星系的形成?？茖W(xué)家希望通過研究這些幽靈般的黑洞的生長及行為,，揭開星系誕生和演化的秘密。

但問題是,，超大質(zhì)量黑洞不發(fā)光,，它們大部分時間都在休眠，我們看不見,。只有當(dāng)它們“進食”時,，才會蘇醒過來，但超大質(zhì)量黑洞的食物極其少有,，因為圍繞它們旋轉(zhuǎn)的大多數(shù)氣體,、灰塵和恒星都待在穩(wěn)定的軌道上，超大質(zhì)量黑洞根本吃不到,。它們總是很饑餓,，每當(dāng)有數(shù)量可觀的東西恰巧掉入時，超大質(zhì)量黑洞就會“瘋狂進食”,，這一現(xiàn)象從非常非常遠的地方就能看到,。

在過去半個世紀(jì)的大部分時間里，科學(xué)家主要通過觀測類星體來研究這類正在享受盛宴的黑洞,。類星體在1963年由天文學(xué)家馬騰·施密特（Maarten Schmidt）發(fā)現(xiàn),，它們是活動星系的超亮中心，每一個都比數(shù)十億個太陽還亮,，無論你處在宇宙的哪個角落,，都可以觀測到它們。當(dāng)大量氣體塵埃沖向一個超大質(zhì)量黑洞,，繞黑洞轉(zhuǎn)動時,，會發(fā)熱發(fā)光，持續(xù)數(shù)十萬或數(shù)百萬年,，在這個時候就被認(rèn)為形成了類星體,。

然而，類星體并不是理想的研究對象,。它們是一些極端事件,，通常都相當(dāng)遙遠且相對罕見，其生命周期只構(gòu)成了超大質(zhì)量黑洞一生的一小部分,。因此,，它們提供的視角很有限,，天文學(xué)家無法由此獲知我們星系的超大質(zhì)量黑洞平常是如何“進食”和生長的。雖然研究人員還可觀測圍繞超大質(zhì)量黑洞快速轉(zhuǎn)動的恒星,，通過計算恒星的速度來研究它們,，但這種方法只適用于非常近的天體——比如位于銀河系和臨近星系中的天體，只有在這個范圍內(nèi),，當(dāng)前的望遠鏡才可以分辨出單個恒星,。

1988年，英國天文學(xué)家馬丁·里斯（Martin Rees）提出了研究超大質(zhì)量黑洞的第三種方法——直到最近,，這種方法才真正顯示出了它的優(yōu)越性,。天文學(xué)家可以通過尋找來源于黑洞附近短暫而明亮的光芒來研究黑洞。這類爆發(fā)被稱為潮汐瓦解事件（tidal disruption event,，TDE）,，當(dāng)一個超大質(zhì)量黑洞吞噬一顆不幸的恒星時就會發(fā)生,。潮汐瓦解事件會持續(xù)幾個月而非幾千年,，研究人員可以完整地見證從“進食”開始至結(jié)束的整個過程，并且在這個過程中黑洞周圍足夠明亮,，不管是發(fā)生在附近還是遙遠的星系中,，我們都能夠觀測到。

潮汐瓦解事件非常劇烈,，遠非海岸邊沖走游客浴巾的潮水能比,。不過,，兩者在原理上有相同之處,。地球上的潮汐主要由月球的引力拖拽引起，即在靠近月球的一側(cè),，地球受到的拉拽更強。月球?qū)Φ厍蜻h端和近端的引力差被稱為潮汐力,。在地球朝向月球的一側(cè),，潮汐力會產(chǎn)生一個高潮，有點反常的是,，它也會在相反的一面產(chǎn)生一個高潮,，當(dāng)然潮汐力也會產(chǎn)生一個相應(yīng)的低潮,，不過是在與地月軸線的夾角為90度的地方。當(dāng)一顆恒星在一個超大質(zhì)量黑洞附近時——可能是被附近另一顆恒星的引力推到那里的——強烈的潮汐力可以將它撕成碎片,。

這顆恒星將以哪種方式消亡,，取決于恒星和超大質(zhì)量黑洞的大小。一個小而致密的天體，例如白矮星,，抵抗潮汐力的能力遠比一個更大,、更蓬松的類太陽恒星強,，這類似于一個保齡球比一團棉花糖更難撕裂,。最大的超大質(zhì)量黑洞具有數(shù)十億倍太陽質(zhì)量,，它們太大了,，大到無法引起潮汐瓦解事件——在潮汐力撕裂恒星之前,，它們就已經(jīng)吞噬了整個恒星。相反，數(shù)百萬個太陽質(zhì)量的黑洞周圍的潮汐力將會撕裂距它約5000萬千米（約為水星與太陽的距離）內(nèi)的大多數(shù)恒星。

雖然撕裂一顆恒星這樣的大規(guī)模事件已經(jīng)夠壯觀了，但這還只是一場煙花表演的開始,。在恒星被撕裂之后,，碎片將分散開，逐漸偏離恒星的原始軌道,。基礎(chǔ)軌道力學(xué)指出,，大約一半的碎片將被排出，成為從黑洞附近流出的纖長細絲,，而另一半則旋繞黑洞，形成一個吸積盤 ——一種緩慢落入黑洞的螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)。當(dāng)吸積盤的物質(zhì)落入黑洞時,，會加速至接近光速，并在引力和摩擦力的壓縮和加熱下，溫度不斷升高,，在接近250 000℃時會開始發(fā)光,。在幾周或幾個月的時間內(nèi),，一次典型的潮汐瓦解事件將導(dǎo)致先前休眠和看不見的黑洞暫時比星系中的所有恒星都要亮,。

雖然理論學(xué)家在幾十年前就預(yù)言了潮汐瓦解事件的存在,，但直到20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初,，天文學(xué)家才真正觀察到這一現(xiàn)象,。之所以花了這么長時間才觀察到,，是因為潮汐瓦解事件非常稀有——據(jù)估計，在銀河系這樣的星系中,，每10萬年才發(fā)生一次潮汐瓦解事件,。這類事件也很難觀測到,。簡單的理論模型表明,，潮汐瓦解事件中，吸積盤的發(fā)光峰值應(yīng)該在電磁光譜上所謂的軟X射線或遠紫外部分,。但由于星際塵埃和地球大氣的干擾,，科學(xué)家難以從地面上對這個波段進行觀測。

同樣的模型還表明,，天文學(xué)家可以利用潮汐瓦解事件對黑洞質(zhì)量進行相對精確的估計,。質(zhì)量是一個關(guān)鍵數(shù)據(jù)，可以幫助天文學(xué)家解釋黑洞的大小是如何影響自身行為及所在星系環(huán)境的,。要測量黑洞的質(zhì)量,，天文學(xué)家只需簡單測定潮汐瓦解事件達到峰值亮度所花的時間（它揭示了吸積盤形成和黑洞“進食”的速度）。潮汐瓦解事件是如此明亮,，研究人員可以利用它們確定更遙遠的超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量,，這一點其他任何已知現(xiàn)象都辦不到。

根據(jù)倫琴X射線天文臺（ROSAT）和星系演化探測器（Galaxy Evolution Explorer）紫外空間望遠鏡的數(shù)據(jù),，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了第一批潮汐瓦解事件候選者,。它們是一些爆發(fā)事件，持續(xù)時間從幾周到幾個月,，而且位置處于先前休眠的星系中心,。作為早期理論預(yù)測的現(xiàn)象的首批潛在觀測證據(jù)，這些發(fā)現(xiàn)對建立一個全新的研究領(lǐng)域格外重要,。然而,，由于這些證據(jù)主要是從舊數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的，天文學(xué)家錯失了在多個波段上實時研究它們的時機,，無法揭開最深層次的秘密,。而要想在潮汐瓦解事件剛發(fā)生時就發(fā)現(xiàn)它們，天文學(xué)家必須非常幸運,，或是持續(xù)不斷地在廣闊的天空搜尋,。

幸運的是，過去10年中，數(shù)據(jù)存儲和傳感器的穩(wěn)步發(fā)展使這種雄心勃勃的巡天項目成為可能?，F(xiàn)在,，一臺高端光學(xué)相機能在單次快照中對一平方度或更多的天空區(qū)域成像，這種情況類似于在通過“管窺”的方式觀察研究天文事件多年后,，突然用全景鏡頭去觀察天空。通過反復(fù)進行大面積巡天,，并以數(shù)字化的方式合并得到的圖像,，剔除暗弱的臨時特征，天文學(xué)家現(xiàn)在能更容易地發(fā)現(xiàn)和研究潮汐瓦解事件和一系列其他暫現(xiàn)天體物理現(xiàn)象,。這些新的大視場巡天,，例如全景巡天望遠鏡和快速響應(yīng)系統(tǒng)（Panoramic Survey Telescope and the Rapid Response System，Pan-STARRS,，簡稱泛星計劃）,、帕洛馬暫現(xiàn)源工廠（Palomar Transient Factory，PTF）和全天空自動超新星巡天（All-Sky Automated Survey for Supernovae,，ASAS-SN）主要設(shè)計用于識別超新星和小行星,，但除此之外，它們還可以做更多,。因為它們每晚可以對數(shù)百萬個星系成像,，對潮汐瓦解事件這類更奇異的暫現(xiàn)現(xiàn)象也很敏感。

類星體是宇宙的燈塔,，它們形成于超大質(zhì)量黑洞“進食”星系氣體時,，但對研究超大質(zhì)量黑洞是如何“進食”的天文學(xué)家來說，此類罕見,、遙遠并遲緩的事件,，并不是理想的研究對象。天文學(xué)家現(xiàn)在正在監(jiān)測那些吞食單個恒星的巨大黑洞,。

2010年,，在Pan-STARRS開始運行后不久，美國天文學(xué)家蘇維·吉扎里（Suvi Gezari）帶領(lǐng)的團隊發(fā)現(xiàn)了一次潮汐瓦解事件（被稱作PS1-10jh）, 這一事件發(fā)生在質(zhì)量約為200萬個太陽的黑洞周圍,，所在星系距離地球約27億光年,。由于這次事件是在數(shù)據(jù)收集后很短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)的，吉扎里和同事第一次能夠在后續(xù)的光學(xué)和紫外波段觀測和研究它,。他們的發(fā)現(xiàn)非常令人吃驚,。

從光譜來看，這次特殊的潮汐瓦解事件顯得非?！袄洹?，溫度大約在30 000℃，還不到大多數(shù)吸積盤基本理論預(yù)言的1/8,。而且,，PS1-10jh并沒有隨著吸積盤的冷卻和消散在數(shù)周內(nèi)逐漸消失,，而是在初次發(fā)現(xiàn)后的很多個月內(nèi)都維持溫度不變。最奇怪的是,，Pan-STARRS在PS1-10jh的余輝中探測到了電離氦的信號——這只有在溫度超過100 000℃時才可能產(chǎn)生,。此外，雖然天文學(xué)家在這一潮汐瓦解事件中探測到了大量的氦,，但似乎沒有探測到氫——宇宙中豐度最高的元素,，同時也是恒星的主要元素。理論學(xué)家已經(jīng)開始著手研究,，是什么機制產(chǎn)生了如此讓人困惑的結(jié)果,。

為了解釋PS1-10jh為何缺乏氫元素，Pan-STARRS團隊提出,，這個被瓦解的恒星可能在之前的某一個時刻,，比如在和黑洞相互作用的過程中，已經(jīng)失去了厚厚的氫包層,，只剩下富含氦的核為吸積盤提供物質(zhì),。但這樣還不足以解釋這次潮汐瓦解事件中非常奇怪的熱矛盾——驚人的低溫與大量需要很高溫度才能產(chǎn)生的電離氦。為了解答這個謎團,，其他理論學(xué)家提出一個假定,，那就是在PS1-10jh中，黑洞周圍的吸積盤實際上并沒有被直接觀測到,。相反,，天文學(xué)家觀測到的是距離黑洞更加遙遠的一層類似于面紗狀的氣體，它們吸收了由吸積盤產(chǎn)生的強烈輻射,，然后以更低的溫度重新輻射出來,。這層面紗的額外好處是可以解釋氫的缺乏，而不需要一個奇怪的,、富含氦的星核作為這個潮汐瓦解事件的主角,。只要溫度合適，密度也較高,，這樣一層面紗完全有可能遮掩氫的存在,，把氫隱藏起來。

但問題是,，如果處在上文所說的距離上,，這層厚厚的面紗狀氣體是不穩(wěn)定的——隨著時間流逝，這些氣體要么掉入黑洞,，要么消散得無影無蹤,。面紗狀氣體的起源也是激烈爭論和研究的焦點，總的來說，面紗狀氣體的起源有兩種可能性,，這兩種可能都與吸積黑洞的動力學(xué)有關(guān),。當(dāng)被瓦解的恒星殘留物圍繞黑洞轉(zhuǎn)動，形成一個逐步增長的吸積盤時,，激波會像漣漪般從盤中向外傳播,，阻止外圍的一些殘留物直接掉落，形成一個臨時的物質(zhì)屏障,?；蛘撸粋€剛發(fā)生的潮汐瓦解事件的吸積盤也許最初向內(nèi)提供了非常多的物質(zhì),，以至于在短時間內(nèi)超過了黑洞吸積的極限，在黑洞外圍形成的暫時的風(fēng)或者外流,，將恒星的一些殘留物推出吸積盤,，停留在更遠的距離上。

天文學(xué)家提出了各種假設(shè)來解釋PS1-10jh和接下來發(fā)現(xiàn)的其他潮汐瓦解事件,，并試圖自圓其說,，他們越來越意識到：潮汐瓦解事件是一個比之前任何人預(yù)想的都要復(fù)雜的現(xiàn)象。但他們沒有料到的是,，更大的意外還在后面,。

這個意外在2011年3月28日凌晨到來，一條自動產(chǎn)生的提示信息發(fā)送到了全世界多位天文學(xué)家的手機上,?！坝暄唷保⊿wift）剛剛探測到了來自深空的高能輻射脈沖。雨燕是一個靈活的空間望遠鏡,，由美國航空航天局和意大利及英國的研究所合作建成,，用于研究天空中所有類型的爆發(fā)天體。但雨燕的主要目標(biāo)是伽馬暴——一類災(zāi)變性恒星爆發(fā),，也是宇宙中最亮的天體物理事件,。每當(dāng)有伽馬射線流進入雨燕的傳感器，這個望遠鏡會迅速重新定位并在X射線和光學(xué)波段觀測這個射線源,，同時通知地面,，觸發(fā)一連串的地面觀測項目。

一收到雨燕的提示信息,，天文學(xué)家就會爭相利用世界上最大,、最強有力的望遠鏡，趕在伽馬暴永遠消失之前尋找任何與此相關(guān)的天文現(xiàn)象,。自2004年發(fā)射以來,，雨燕已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了1000多個伽馬暴，但是這一次特殊事件（后來被稱為Swift J1644+57），與這個望遠鏡之前發(fā)現(xiàn)的任何事件都不同,。

就像它們的名字所示,，伽馬暴通常是短暫的，持續(xù)時間一般在零點幾秒到幾分鐘之間,。那年3月的清晨,，我們將望遠鏡指向Swift J1644+57，本來期盼看到一個來自短時標(biāo)伽馬射線暴的,、典型且逐漸消失的余輝,，然而我們觀測到了明亮、持續(xù)了一天的不規(guī)則伽馬射線暴,，之后是持續(xù)數(shù)月的劇烈且逐漸衰減的X射線輻射,。很快，我們就確定這次爆發(fā)來自于38億光年外,、位于天龍座（constellation of Draco）的一個星系,。我們的一位同事，加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的約書亞·S·布盧姆（Joshua S. Bloom）,，注意到這個伽馬射線源位于星系的中心——超大質(zhì)量黑洞的棲息地,，并且認(rèn)為我們目睹了一次潮汐瓦解事件。盡管之前所有的潮汐瓦解事件都是在波長更長,、能量更低的波段探測到的（這時,，觀測者看到的熱輻射來自于由碎片恒星形成的吸積盤），但這次事件卻完全不同,。

一個潮汐瓦解事件是如何產(chǎn)生伽馬射線的,？我們能夠想到的最好回答是：黑洞是個邋遢浪費的吃貨,。黑洞會吞噬被撕裂恒星的大部分氣體,，把它們永遠鎖定在事件視界（黑洞周圍的一個邊界,，通過這個邊界之后,，包括光在內(nèi)的任何物質(zhì)都無法逃逸）之內(nèi),。但所有黑洞可能都會自旋,，因此可能把被撕裂恒星中百分之幾的氣體推向黑洞的兩極方向（位于事件視界之外）,，在這里氣體被加速,，并以一束準(zhǔn)直的,、接近光速運動的粒子束的形式拋射出去,。快速運動的粒子束急速穿過宇宙時,，會輻射伽馬射線和X射線,。顯然，雨燕碰巧處在Swift  J1644+57粒子束的傳播路徑上,。這一次,，我們的運氣很好——并不是所有的潮汐瓦解事件都能產(chǎn)生這樣的相對論性外流,，并且大多數(shù)相對論性外流的確很可能出現(xiàn)在我們的觀測視線之外。

探測到Swift J1644+57鼓舞了雨燕團隊,，他們開始努力尋找更多的類似事件,。2017年初，又有兩個輻射伽馬射線噴流的潮汐瓦解事件被發(fā)現(xiàn),。這是恒星的“臨終哭泣”,，是最罕見和強烈的天文現(xiàn)象，為天文學(xué)家研究相對論性粒子噴流的產(chǎn)生和行為（這也是當(dāng)代高能天體物理中最前沿的研究課題之一）提供了一種新方式,。

黑洞吞噬恒星的全過程

潮汐瓦解事件給科學(xué)家提供了一個新窗口,，他們可以通過觀測來自吸積盤的熱輻射，以及黑洞的噴流流出的伽馬射線,，來研究超大質(zhì)量黑洞及其周圍環(huán)境,。最重要的是，類星體的噴流和吸積盤是大量氣體云團在非常長的時標(biāo)上,，混亂地沖向超大質(zhì)量黑洞時形成的,，它們的尺度更大、持續(xù)時間也更長,，而潮汐瓦解事件是短暫的,、干脆利落的事件，更容易被研究,。沒有一個人的一生能夠長到足以見證一個類星體的完整生命過程，但天文學(xué)家已經(jīng)見證了20多個潮汐瓦解事件從爆發(fā)到結(jié)束的整個過程,，并對此進行了研究,。在這些恒星災(zāi)變的細節(jié)中，天文學(xué)家已經(jīng)瞥見了一些誘人的奇怪現(xiàn)象,，有待進行更深入的研究。通過精確觀測來自潮汐瓦解事件的波動性耀發(fā),，天文學(xué)家不只可以研究黑洞,，也可以研究幾十億光年之外被撕裂的恒星的細致組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu),。

天文學(xué)家甚至還可以研究恒星的伴星——被黑洞吞沒的行星,。任何一個來自遙遠星系中心的倏忽一閃都可能標(biāo)志著一個世界的消亡。我們對銀河系的恒星巡天顯示,，幾乎每一個恒星周圍都存在行星。所以,，在其他星系中,，即使不是全部,，多數(shù)恒星周圍也是存在行星的,。如果發(fā)生潮汐瓦解事件，即使行星沒有被直接撕裂,，也有可能處在潮汐瓦解事件產(chǎn)生的暫現(xiàn)性相對論性噴流的路徑上,，這些噴流會在黑洞外延伸數(shù)光年。任何一個行星系統(tǒng)如果被這樣的氣體束擊中,，其上的生命都會很快滅亡（如果有生命的話）,。或許有一天,，天文學(xué)家也會在我們的“宇宙后院”中目睹潮汐瓦解事件——當(dāng)某個恒星誤入潛藏在銀河系中心,、有著400萬個太陽質(zhì)量的黑洞周圍時，潮汐瓦解事件就會發(fā)生,。屆時，銀河系中央將會變得非常明亮，但幸運的是，我們距離銀河系中心足夠遠,，潮汐瓦解事件最危險的影響不會波及到我們這里,。

隨著更為強大的巡天項目即將建成,，越來越多潮汐瓦解事件將被發(fā)現(xiàn)，一個新時代即將到來,。大口徑全天巡視望遠鏡（LSST）是一個正在建設(shè)中的8米望遠鏡,，位于智利，視場為10平方度,，預(yù)計在它啟用的第一個10年內(nèi)，就將獨自發(fā)現(xiàn)數(shù)千個這樣的爆發(fā)。對于大口徑全天巡視望遠鏡來說,，它面臨的最大的科學(xué)挑戰(zhàn)將是，如何對發(fā)現(xiàn)的數(shù)量巨大的暫現(xiàn)源進行挑選。計劃建造中的射電觀測站（例如正在澳大利亞和南非建造的“平方千米陣列”）尤其適合用來發(fā)現(xiàn)相對論性噴流,，即使這樣的噴流是“偏軸”的（意味著它們沒有直接沿著我們的視線方向傳播）。在不遠的將來,，天文學(xué)家也許可以組建一個包含數(shù)千個潮汐瓦解事件（這比任何一個人一生可以研究的數(shù)目都要多）的星表,，從而能夠揭示這些超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量和行為，使它們不再是躲藏在星系中心無法接近的神秘幽靈,。隨著天文學(xué)家對潮汐瓦解事件的了解越來越深入,，積累的知識越來越多，未來或許會出現(xiàn)革命性的發(fā)現(xiàn),。