林達成

黑洞擁有摧枯拉朽的超強引力，它的魔爪連光都無法掙脫。那么它是否會肆無忌憚地吞噬周邊的一切呢？如果某個東西不幸太靠近黑洞又會發(fā)生什么事情？

神秘的黑洞

黑洞的密度極大，所有質(zhì)量被限制在極小的視界范圍內(nèi)，就連光都逃不出來。這就導致黑洞附近引力極其強大。如果要把地球變成黑洞，就必須把它壓縮到一個硬幣大小，重力也將比我們現(xiàn)在感受到的強約0.5億億倍。

正是因為連光線都無法逃脫，所以黑洞本身并不發(fā)光，我們很難像探測其他天體那樣直接探測到它們。

那科學家如何來觀察和研究黑洞呢？在它“吃東西”的時候去探測它！黑洞在“進食”的過程中，并不是將周圍的物質(zhì)一口吞下。那些物質(zhì)會盤旋著形成所謂的吸積盤，并被黑洞強大的引力場加熱到極高溫度（極強的勢能轉(zhuǎn)換成熱能），發(fā)射出很強的X射線，從而被空間探測器探測到。

黑洞雖然看起來很神秘，甚至是不可思議，但是對天文學家來說，它們的存在卻是毋庸置疑的。在黑洞王國里，我們熟知的，有矮人和巨人兩個大家族。矮人家族指恒星級黑洞，質(zhì)量為太陽的幾倍到幾十倍。這個家族的成員通常能在雙星系統(tǒng)——包括一個黑洞和一顆繞著它轉(zhuǎn)的恒星——中被探測到，因為黑洞會吸積恒星表面的氣體而發(fā)光（這種系統(tǒng)中恒星離黑洞太遠不會被整體吃掉）。

而巨人家族指的是那些超大質(zhì)量黑洞，它們的質(zhì)量可以達到太陽的100萬倍甚至10億倍以上，普遍存在于星系核中心。這些“巨人”中的一小部分，周邊有著豐富的氣體可吸積，天文學家稱它們?yōu)榛顒有窍岛?。活動星系核是太空里主要的X射線源，它的輻射通常很穩(wěn)定，估計可維持上萬年。

悲壯的死亡

許多人都有這樣的困惑：未來某一天，我們會不會也被黑洞吃掉？雖然理論上很難完全排除，但離我們較近的都是小型黑洞，最近的也在3000光年以外，所以我們被黑洞吞噬的可能性應該極小。但是類似的天禍在浩瀚的宇宙里時有發(fā)生，而且已經(jīng)被多次探測到，這便是超大質(zhì)量黑洞潮汐瓦解恒星事件（Tidal Disruption Event，簡稱TDE）。

星系核里的黑洞非常大，而周邊的恒星又太過密集，因此難免有些會被鄰居碰撞一下而“誤入歧途”——不幸太靠近超大質(zhì)量黑洞而被吃掉。

那么這種悲劇會不會悄無聲息地進行呢？如果黑洞質(zhì)量過大，比1億個太陽質(zhì)量還要大的話，這是有可能的。恒星會“來不及反應”，連形狀都來不及改變就掉進黑洞的視界里。

但星系核里的超大質(zhì)量黑洞，一般在100萬到1億倍太陽質(zhì)量之間。如果恒星遇到這樣的黑洞，那將是另一番景象了。在掉進黑洞視界之前，恒星就會被黑洞強大的潮汐力“五馬分尸”。一部分恒星物質(zhì)會被黑洞“吃掉”，迅速產(chǎn)生以X射線為主的輻射大爆發(fā)，可持續(xù)幾個月到幾年。這被形象地稱為“恒星最后的哀嚎”。至于那些幸運逃脫的物質(zhì)，則會彌散于太空。

那么，這種將恒星“撕裂”的潮汐力源自何方？由于黑洞附近的引力場空間變化很大，恒星靠近黑洞的一端受到的引力，要比遠離黑洞的另一端大得多。當這種引力差，也就是潮汐力，比恒星自身的引力還要強大時，恒星就會“粉身碎骨”。只有黑洞質(zhì)量不是太大時，這種撕裂才會發(fā)生在黑洞視界外而被觀測到。

對一個位于星系中心的超大質(zhì)量黑洞來說，潮汐瓦解事件并不常見，大約1萬年才發(fā)生一次。但是現(xiàn)代這些靈敏的成像探測器，往往每次觀測都能同時監(jiān)視很多黑洞，所以統(tǒng)計上講，我們還是能時不時地探測到來自這個或者那個超大質(zhì)量黑洞的潮汐瓦解事件。

研究這些事件具有很多重要的物理意義。首先大部分超大質(zhì)量黑洞是沉寂的，潮汐瓦解事件幾乎是尋找并研究它們的唯一辦法。還有，這類事件是研究大質(zhì)量黑洞在物質(zhì)吸積率大幅度變化下吸積過程如何演化的理想實驗室，是尋找中等質(zhì)量黑洞和雙超大質(zhì)量黑洞系統(tǒng)的獨特辦法。

難得的有趣發(fā)現(xiàn)

潮汐瓦解事件的理論形成于20世紀七八十年代，其中最著名的是劍橋大學的馬丁·里斯教授1988年發(fā)表于《自然》雜志上的文章。這篇文章對潮汐瓦解事件的形成、特征、發(fā)生頻率等給出了比較全面的描述和預測。

早期對潮汐瓦解事件的觀測始于20世紀90年代。當時，由美國、德國、英國一起研制的太空望遠鏡ROSAT衛(wèi)星，在全天巡天觀測中，發(fā)現(xiàn)了四個潮汐瓦解事件的X射線候選源。這些源的峰值亮度極高，擁有超軟的X射線光譜（大部分光子能量低于1keV），而且是亮度變化幅度極大的瞬變源，寄主星系核也無長期活躍跡象（排除了活動星系核的可能）。這些特征都跟潮汐瓦解事件理論的預測大體吻合。

進入21世紀以來，隨著現(xiàn)代X射線成像衛(wèi)星XMM-Newton、Chandra和Swift的發(fā)射，以及幾個大型巡天項目（覆蓋紫外到可見光）的展開，已經(jīng)有近百個潮汐瓦解事件被發(fā)現(xiàn)。在這其中，有X射線輻射的有30來個。

雖然探測到的數(shù)量不多，但對潮汐瓦解事件的研究在最近備受關注，這主要是因為時不時會有一些意想不到但又非常有趣的發(fā)現(xiàn)。宇宙有太多的可能性，給人以無限的遐想空間：大質(zhì)量黑洞可以是高速旋轉(zhuǎn)的，可以是不在星系核中心的，可以是互相旋轉(zhuǎn)的雙黑洞，等等；而被撕裂的也可以是各種各樣的恒星，甚至白矮星。很多有趣的天體現(xiàn)象也已經(jīng)在潮汐瓦解事件里被觀測到：相對論噴流，噴流與黑洞周邊氣體的相互作用，電離氣體流，等等。

下面，我們來介紹四個十分有趣的潮汐瓦解事件（后兩個由筆者發(fā)現(xiàn)）。透過它們，你可以了解到潮汐瓦解事件的一些扣人心弦的時刻。

意外的邂逅——Sw1644+57

Sw1644+57，可以說是最激動人心，也最意外的發(fā)現(xiàn)了。

2011年3月28日，Swift伽馬射線探測器意外探測到一個人類有史以來觀測到的最壯觀的伽馬射線爆發(fā)，持續(xù)時間遠比正常的伽馬射線暴（來自恒星坍塌或雙致密天體合并）長。它迅速受到全世界各大望遠鏡的關注。哈勃空間望遠鏡（可見光）、錢德拉塞卡衛(wèi)星（X射線）、甚大天線陣（射電）聯(lián)合觀測很快發(fā)現(xiàn)，這個爆發(fā)來自距離我們38億光年的一個星系的核中心，應該跟超大質(zhì)量黑洞有關。

多篇相關論文幾乎同時發(fā)表，其中有兩篇發(fā)表在《自然》雜志，還有兩篇發(fā)表在《科學》雜志。研究認為，這個突發(fā)性的大爆發(fā)源于一個非常特殊的潮汐瓦解事件：有相對論噴流（帶電物質(zhì)沿黑洞旋轉(zhuǎn)軸呈束狀向外噴射，且速度接近光速）形成，并且噴流方向剛好指向地球。

發(fā)生這種情況的概率只有不到1%，而且此前發(fā)現(xiàn)的潮汐瓦解事件都沒有相對論噴流的跡象。這個事件讓人類第一次觀測到超大質(zhì)量黑洞吸積時產(chǎn)生的相對論噴流，因此意義十分重大，引起了全世界的廣泛關注。

空歡喜一場——神秘氣團逃脫“魔爪”

有確切的證據(jù)證明，銀河系中心有個超大質(zhì)量黑洞，叫SgrA*。但是其周邊氣體很少，因此吸積率極低，光輻射極弱。作為離我們最近的超大質(zhì)量黑洞，若能發(fā)生一次潮汐瓦解事件，那將是我們“在家門口零距離”觀測超大質(zhì)量黑洞“吃大餐”的絕佳機會。但是由于潮汐瓦解事件大約1萬年才可能出現(xiàn)一次，我們想要在有生之年觀測到，可需要不少運氣。

因此，當一個神秘的氣團在2011年被發(fā)現(xiàn)正駛向Sgr A*時，天文界轟動了。當時推算，氣團會在2013年年底距離SgrA*最近，屆時就有可能被黑洞撕開變成佳肴。因此各大天文望遠鏡拭目以待，準備捕捉這一“萬年一遇”的盛宴。

很遺憾，2013年早已過去，一切還是那么平靜，氣團似乎完好無損地逃過了Sgr A*的“魔爪”?？茖W家提出了種種說法，其中一種合理的解釋是氣團里含有比較致密的核，使得氣團自身的引力抵御住了黑洞的進攻，因而沒有被黑洞撕裂。

雖然空歡喜一場，但它還是極大地推動了天體物理學家對這類事件的理論研究，為下次類似事件的發(fā)生做好了準備。

盛宴——一個持續(xù)超久的事件

筆者多年來從事潮汐瓦解事件的研究，主要從XMM-Newton衛(wèi)星的海量X射線數(shù)據(jù)中搜索意外探測到的源，并且很幸運地發(fā)現(xiàn)了一些非常有趣的事件。2017年，筆者發(fā)現(xiàn)了一個持續(xù)超過10年的事件XJ1500+0154，輻射時間遠比其他事件長。這應該是因為超大質(zhì)量黑洞瓦解吞噬了比較大的恒星而造成的。除了持續(xù)時間長，這個事件的發(fā)現(xiàn)有著更為深遠的物理意義，那就是探測到了超愛丁頓吸積率的特征。

通常來說，黑洞“攝取”食物的速度（吸積率）有個所謂的愛丁頓極限。這是由于光會對照射的物質(zhì)產(chǎn)生壓力，吸積盤吸積率越高發(fā)光越強，但當光強達到一定程度時會阻止物質(zhì)進入吸積盤，使得吸積盤的發(fā)光強度有個極限。低于這個極限，黑洞可以“細嚼慢咽”，“消化”好（吸積盤薄，能最有效發(fā)光）；但高于這個極限的話，黑洞會被迫進入“狼吞虎咽”的狀態(tài)，“消化”差（吸積盤厚，不能有效發(fā)光）。

理論認為，恒星變得粉碎后，一下子會有大量物質(zhì)可以吃，所以在潮汐瓦解早期，黑洞“狼吞虎咽”的現(xiàn)象應該很普遍。但是，令人困惑的是，以前觀測的幾十個潮汐瓦解事件，都沒有明顯的“狼吞虎咽”的跡象。XJ1500+0154的美妙之處在于清晰地展現(xiàn)了黑洞從“狼吞虎咽”狀態(tài)到“細嚼慢咽”狀態(tài)的過程。這給宇宙早期巨大質(zhì)量黑洞的一個重要形成模型——“狼吞虎咽”形成模型——提供了重要的觀測依據(jù)。

稀有物種的指路牌——潮汐瓦解事件尋找中等質(zhì)量黑洞

和比比皆是的矮人黑洞和巨人黑洞相比，質(zhì)量介于這兩者之間的中等質(zhì)量黑洞（大約1000倍至10萬倍太陽質(zhì)量）可謂是稀有“物種”。這種黑洞可能是超大質(zhì)量黑洞形成的“火種”，而且理論上有好多渠道可以形成中等質(zhì)量黑洞，比如早期星團里大質(zhì)量恒星的并合。因此，天文學界一直刮著一股“淘金熱”——對中等質(zhì)量黑洞這一稀有“物種”的苦苦追尋，已經(jīng)持續(xù)幾十年了。

但是，我們至今還沒找到幾個可靠的源。一個著名的中等質(zhì)量黑洞候選源是ESO 243-49 HLX-1，它的質(zhì)量估計是太陽的1萬倍。中等質(zhì)量黑洞如此難覓蹤跡，很可能是因為它們普遍存在于現(xiàn)如今氣體極為稀少的星團中心。也就是說，它們正在“鬧饑荒”，被迫進入“深度睡眠”，因此輻射極弱，很難被探測到。

但是，如果中等質(zhì)量黑洞普遍存在于星團里，潮汐瓦解事件將是一個探測到它們的獨特方法。2018年，筆者幸運地找到了迄今最好的中等質(zhì)量黑洞潮汐瓦解恒星的證據(jù)。這個黑洞飄零在距離地球7.4億光年的一個星系郊區(qū)的一個星團里，它的質(zhì)量是通過對多個時段的高質(zhì)量X射線光譜進行擬合估計出來的（這是目前獲取黑洞質(zhì)量信息少有的幾個可靠方法之一）。因此，這個源是中等質(zhì)量黑洞存在的少有的有力證據(jù)之一。

由于潮汐瓦解事件對一個中等質(zhì)量的黑洞來說并不常見，筆者能夠發(fā)現(xiàn)一個意味著在我們附近的宇宙里，應該有不少相似的中等質(zhì)量黑洞存在。鑒于中等質(zhì)量黑洞的重要性，筆者的這一發(fā)現(xiàn)也迅速得到極為廣泛的關注。

美好的明天

目前探測到的潮汐瓦解事件還太少，而且大部分只有零星的觀測，很難確定事件的演化過程。觀測到的事件還出乎意料地展現(xiàn)了好多難以解釋的特性，比如：為什么好多事件沒有預測的亮？為什么大部分事件沒有相對論噴流？為什么大部分可見光波段發(fā)現(xiàn)的事件沒有X射線輻射，而X射線波段發(fā)現(xiàn)的事件可見光輻射往往很弱？因此，潮汐瓦解事件還有好多有趣的問題正待解決。

這個方向的研究想要取得長足的進步，便迫切需要大量有密集觀測的潮汐瓦解事件。

有幾個超大巡天項目正在開展或即將成立，比如正在建設的大型綜合巡天望遠鏡（LSST），預計每年可發(fā)現(xiàn)上千個可見光潮汐瓦解事件。中國最新立項的“愛因斯坦探針”衛(wèi)星（首席科學家是袁為民）預計于2022年發(fā)射，最重要的一個科學目標就是通過全天巡天，每年探測到上百個有密集觀測的X射線潮汐瓦解事件。要知道，過去幾十年也就發(fā)現(xiàn)了30來個這樣的事件，其中大部分還只有零星的X射線觀測。因此，這一衛(wèi)星的成功發(fā)射將極大地推動對潮汐瓦解事件的研究。

可以預計，在下一個10年，潮汐瓦解事件的研究將得到蓬勃發(fā)展。最激動人心的時刻還在后頭，讓我們拭目以待！