詹姆斯·韋伯太空望遠鏡發(fā)現(xiàn)休眠黑洞也會吞噬恒星

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麻省理工學(xué)院、哥倫比亞大學(xué)和其他機構(gòu)的天文學(xué)家利用美國宇航局的詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST）透過附近星系中厚厚的塵埃層，研究黑洞吞噬恒星的后果。與不斷吞噬附近物質(zhì)的活躍星系不同，這些黑洞處于休眠狀態(tài)，只會短暫地活動以吞噬不幸經(jīng)過的恒星。

麻省理工學(xué)院、哥倫比亞大學(xué)等機構(gòu)的天文學(xué)家利用美國宇航局的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，透過鄰近星系的塵埃，觀測黑洞恒星盛宴后的景象。圖片來源：NRAO/AUI/NSF/NASA

根據(jù)7月24日發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志快報》上的一項新研究，研究人員首次利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡探測到多次潮汐瓦解事件。這些罕見的宇宙現(xiàn)象發(fā)生在星系中心黑洞吸入鄰近恒星，并以強大的潮汐力將其撕裂，釋放出巨大的能量爆發(fā)時。

自20世紀90年代以來，科學(xué)家已記錄了大約100次潮汐瓦解事件（TDE），主要發(fā)生在周圍塵埃較少的星系中，由此產(chǎn)生的X射線或可見光更容易觀測到。然而，麻省理工學(xué)院研究人員最近的研究結(jié)果表明，可能存在更多類似的恒星毀滅事件，只是被厚厚的氣體和塵埃云遮蔽了，傳統(tǒng)望遠鏡無法觀測到。

在之前的工作中，研究小組發(fā)現(xiàn)，潮汐瓦解事件發(fā)出的大部分X射線和可見光會被星系塵埃遮蔽，因此傳統(tǒng)的X射線和光學(xué)望遠鏡無法觀測到。但同樣的光線可以加熱周圍的塵埃，并以紅外光的形式產(chǎn)生新的信號。

現(xiàn)在，同樣的研究人員利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）——世界上最強大的紅外探測器——研究了來自四個塵埃星系的信號，他們懷疑這些星系發(fā)生了潮汐瓦解事件。在塵埃中，JWST 探測到了黑洞吸積的清晰痕跡。吸積是物質(zhì)（例如恒星碎片）繞行并最終落入黑洞的過程。該望遠鏡還探測到了與活動星系周圍塵埃截然不同的模式，在活動星系中，中心黑洞不斷吸收周圍的物質(zhì)。

綜合起來，這些觀測證實了這四個星系確實發(fā)生了潮汐瓦解事件。此外，研究人員得出結(jié)論，這四次事件并非由活躍黑洞引起，而是休眠黑洞，它們在一顆恒星偶然經(jīng)過之前幾乎沒有活動。

新結(jié)果凸顯了詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在深入研究原本難以發(fā)現(xiàn)的潮汐瓦解事件方面的潛力。它們也有助于科學(xué)家揭示活躍黑洞和休眠黑洞周圍環(huán)境的關(guān)鍵差異。

“這是詹姆斯·韋伯太空望遠鏡首次觀測到潮汐瓦解事件，它們看起來與我們之前所見的完全不同，”該研究的主要作者、麻省理工學(xué)院卡夫利天體物理與空間研究所的研究生梅根·馬斯特森說道?！拔覀兞私獾剑@些事件確實是由黑洞吸積驅(qū)動的，而且它們看起來不像正?；钴S黑洞周圍的環(huán)境。現(xiàn)在我們能夠研究休眠黑洞環(huán)境的真實面貌，這令人興奮不已?！?/p>

該研究的麻省理工學(xué)院作者包括 Christos Panagiotou、Erin Kara、Anna-Christina Eilers，以及哥倫比亞大學(xué)的 Kishalay De 和來自其他多個機構(gòu)的合作者。

這項新研究擴展了團隊之前使用另一個紅外探測器——NASA 近地天體廣域紅外巡天探測器（NEOWISE）任務(wù)——開展的研究。團隊使用由論文合著者、哥倫比亞大學(xué)的 Kishalay De 開發(fā)的一種算法，搜索了該望遠鏡十年來的數(shù)據(jù)，尋找紅外“瞬變”，即來自原本平靜的星系的紅外活動短暫峰值，這些峰值可能是黑洞短暫蘇醒并吞噬一顆過往恒星的信號。這項搜索發(fā)現(xiàn)了大約十幾個信號，團隊確定這些信號很可能是由潮汐瓦解事件產(chǎn)生的。

“通過這項研究，我們發(fā)現(xiàn)了12個看起來像潮汐瓦解事件的源頭，”馬斯特森說?！拔覀兲岢隽撕芏嗾擖c，認為這些信號能量非常高，而且這些星系之前看起來并不活躍，所以這些信號一定是突然發(fā)生的潮汐瓦解事件造成的。但除了這些小碎片外，沒有其他直接證據(jù)。”

借助詹姆斯韋伯太空望遠鏡靈敏度更高的功能，研究人員希望能夠辨別關(guān)鍵的“光譜線”，即特定波長的紅外光，從而清晰地識別出與潮汐破壞事件相關(guān)的狀況。

“通過 NEOWISE，就好像我們的眼睛只能看到紅光或藍光，而通過 JWST，我們可以看到完整的彩虹，”馬斯特森說。

在這項新研究中，研究小組專門尋找紅外波峰，這種波峰只能由黑洞吸積產(chǎn)生——吸積是物質(zhì)在循環(huán)氣體盤中被吸向黑洞的過程。黑洞吸積會產(chǎn)生大量的輻射，其強度足以將單個原子中的電子釋放出來。具體來說，這種吸積過程可以從氖原子中釋放出多個電子，由此產(chǎn)生的離子可以躍遷，釋放出詹姆斯·韋伯太空望遠鏡能夠探測到的特定波長的紅外輻射。

“宇宙中除了黑洞吸積之外，沒有其他東西能夠激發(fā)這種氣體產(chǎn)生如此高的能量，”馬斯特森說。

研究人員在之前確定的12個潮汐瓦解事件候選體中的4個中尋找這一確鑿信號。這4個信號包括：迄今為止探測到的距離最近的潮汐瓦解事件，位于一個距離我們約1.3億光年的星系中；一個同時伴有X射線爆發(fā)的潮汐瓦解事件；一個可能是由圍繞中心黑洞以極高速度旋轉(zhuǎn)的氣體產(chǎn)生的信號；以及一個同時伴有光學(xué)閃光的信號，此前科學(xué)家懷疑這是超新星爆發(fā)或垂死恒星的坍縮，而非潮汐瓦解事件。

“這四個信號是我們能找到的最接近確定事件的信號了，”馬斯特森說?！暗材匪埂ろf伯太空望遠鏡的數(shù)據(jù)幫助我們明確地斷言，這些都是真正的潮汐力干擾事件?！?/p>

當團隊利用專門設(shè)計的程序，將詹姆斯·韋伯太空望遠鏡對準這四個信號星系時，他們觀察到所有四個信號源都出現(xiàn)了明顯的譜線。這些測量證實了這四個星系都發(fā)生了黑洞吸積。但問題依然存在：這種吸積是由潮汐瓦解和一個短暫蘇醒并吞噬過往恒星的黑洞引發(fā)的暫時現(xiàn)象嗎？還是說，這種吸積是“活躍”黑洞的一種更持久的特征，這些黑洞始終處于活動狀態(tài)？如果是后者，潮汐瓦解事件發(fā)生的可能性較小。

為了區(qū)分這兩種可能性，研究小組利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的數(shù)據(jù)探測到了另一種紅外光波長，這表明星系中存在硅酸鹽或塵埃。隨后，他們繪制了四個星系中這些塵埃的圖像，并將其與活躍星系的圖像進行了比較。已知活躍星系的中心黑洞周圍存在團塊狀、甜甜圈狀的塵埃云。馬斯特森觀察到，這四個塵埃源與典型的活躍星系相比，呈現(xiàn)出截然不同的模式，這表明每個星系中心的黑洞通常并非活躍的，而是處于休眠狀態(tài)。如果在這樣的黑洞周圍形成了吸積盤，研究人員得出結(jié)論，這一定是潮汐瓦解事件的結(jié)果。

“綜合起來，這些觀測結(jié)果表明這些耀斑唯一可能就是潮汐瓦解事件，”馬斯特森說。

她和她的同事計劃利用 NEOWISE、JWST 和其他紅外望遠鏡，發(fā)現(xiàn)更多此前未被發(fā)現(xiàn)的潮汐瓦解事件。他們表示，如果探測到足夠多的潮汐瓦解事件，潮汐瓦解事件可以作為黑洞特性的有效探測器。例如，恒星被撕裂的程度，以及其碎片被吸積和消耗的速度，可以揭示黑洞的基本特性，例如它的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)速度。

“黑洞吞噬所有恒星物質(zhì)的實際過程需要很長時間，”馬斯特森說。“這不是一個瞬間完成的過程。希望我們能夠開始探索這個過程需要多長時間，以及當時的環(huán)境是什么樣子。沒有人知道，因為我們才剛剛開始發(fā)現(xiàn)和研究這些事件。”

編譯自/scitechdaily