一組物理學家開發了一個模型，描繪了一顆恆星圍繞超大質量黑洞的意外軌道，揭示了對宇宙中最極端環境之一的新見解。在數百萬光年外的一個遙遠的星系中，一顆恆星正被一個超大質量黑洞的巨大引力撕碎。恆星的毀滅導致一股碎片落回黑洞，形成一個吸積盤–一個圍繞黑洞旋轉的明亮而熱的物質盤。

恆星被超大質量黑洞摧毀並激發出明亮的吸積焰的過程被稱為潮汐破壞事件（TDE）。這些事件被認為在任何給定的星系中大約每10000到100000年發生一次。

吸積事件的亮度在短時間內（幾個月到幾年）超過了整個星系（即比我們的太陽亮幾十億倍），使天體物理學家能夠從宇宙學距離上研究超大質量黑洞（SMBHs），為了解其他靜止或休眠星系的中心區域提供一個窗口。通過探測這些”強引力”事件，愛因斯坦的廣義相對論對於確定物質的行為方式至關重要，TDEs產生了關於宇宙中最極端環境之一的信息：黑洞的事件視界–不歸點。

TDEs通常是”轉瞬即逝”的，因為SMBH的極端引力場摧毀了恆星，這意味著SMBH在增殖耀斑之後又消逝在黑暗中。然而，在某些情況下，恆星的高密度核心可以在與SMBH的引力作用下存活下來，使其能夠圍繞黑洞運行不止一次。研究人員稱這是重複的部分TDE。

這幅插圖描繪了一顆恆星（在前景）在”潮汐破壞事件”中被超大質量黑洞（在背景）吸進去時經歷的碎片化現象。資料來源：ESOM Kornmesser

一個物理學家團隊，包括主要作者歐洲南方天文台研究員托馬斯-韋弗斯，以及共同作者雪城大學物理學助理教授埃里克-考夫林和麻省理工學院卡夫利天體物理學和空間研究所的研究科學家Dheeraj R.”DJ”Pasham，提出了一個重複的部分TDE模型。

他們的研究結果發表在《天體物理學雜誌》上，描述了SMBH對恆星的捕獲，每次恆星接近黑洞時對物質的剝離，以及物質被剝離和再次進入黑洞之間的延遲。該小組的工作是首次開發並使用一個詳細的重複部分TDE模型來解釋觀測結果，對遙遠星系中恆星的軌道特性進行預測，並理解部分潮汐破壞過程。

該小組正在研究一個被稱為AT2018fyk（AT代表”天體物理瞬態”）的TDE。這顆恆星通過一個被稱為”希爾斯俘獲”的交換過程被一個SMBH俘獲，在這個過程中，這顆恆星原本是一個雙星系統的一部分（兩顆恆星在相互的引力作用下相互繞行），但被黑洞的引力場撕裂了。另一顆（未被俘獲的）恆星以大約1000公里/秒的速度從星系中心被拋出，這就是所謂的超高速星。

一旦與SMBH結合，為AT2018fyk的發射提供動力的恆星在每次經過它與黑洞的最接近點時，都會被反复剝離其外層包膜。被剝離的恆星外層形成了明亮的吸積盤，研究人員可以使用X射線和紫外線/光學望遠鏡對其進行研究，以觀察來自遙遠星系的光線。

根據Wevers的說法，有機會研究部分TDE使人們對超大質量黑洞的存在和星系中心的恆星的軌道動力學有了前所未有的了解。

他說：”直到現在，我們的假設是，當我們看到一顆恆星和一個超大質量黑洞親密接觸的後果時，其結果對恆星來說是致命的，也就是說，恆星被完全摧毀。但是與我們所知的所有其他TDEs相反，當我們在幾年後將望遠鏡再次指向同一地點時，我們發現它又重新變亮了。這使我們提出，與其說是致命的，不如說是這顆恆星的一部分在最初的遭遇中倖存下來，並回到同一地點再次被剝離物質，解釋了重新變亮的階段。”

AT2018fyk在2018年首次被探測到，最初被認為是一個普通的TDE。麻省理工學院物理學家Dheeraj R. Pasham解釋說，在大約600天的時間裡，該源在X射線中保持明亮，但隨後突然變暗，無法檢測到–這是恆星殘餘核心返回黑洞的結果。

Pasham說：”當核心回到黑洞時，它基本上通過引力將所有的氣體從黑洞中偷走，結果是沒有物質可以增加，因此系統變黑。”

目前還不清楚是什麼導致了AT2018fyk光度的急劇下降，因為TDEs的發射通常是平滑和逐漸衰減的，而不是突然的。但是在下降後的600天左右，這個源頭又被發現是X射線明亮的。這使得研究人員提出，這顆恆星在第一次與SMBH的親密接觸中倖存下來，並處於圍繞黑洞的軌道上。

利用詳細的模型，研究小組的發現表明，這顆恆星圍繞黑洞的軌道周期大約是1200天，從恆星上脫落的物質需要大約600天才能返回黑洞並開始增殖。他們的模型也限制了被捕獲的恆星的大小，他們認為它大約是太陽的大小。至於最初的雙星，研究小組認為，在被黑洞撕裂之前，這兩顆恆星離得非常近，很可能每隔幾天就圍繞對方運行。

那麼，一顆恆星如何能在與死亡擦肩而過的過程中倖存下來呢？這一切都歸結為一個距離和軌蹟的問題。如果恆星與黑洞正面相撞並通過事件視界–逃離黑洞所需的速度超過光速的閾值–恆星將被黑洞吞噬。如果這顆恆星非常接近黑洞並越過了所謂的”潮汐半徑”–即黑洞的潮汐力強於保持恆星的引力–它就會被摧毀。在他們提出的模型中，恆星的軌道達到了一個最接近的點，正好在潮汐半徑之外，但並沒有完全越過它：恆星表面的一些物質被黑洞剝離，但其中心的物質卻保持完整。

恆星繞著SMBH運行的過程是如何發生的，或者說是否會發生多次反复穿越，這是一個理論問題，研究小組計劃用未來的模擬進行研究。雪城大學物理學家Eric Coughlin解釋說，他們估計每次經過黑洞時，恆星的質量損失在1%到10%之間，範圍大是因為對TDE的發射進行建模的不確定性。

“如果質量損失只有1%的水平，那麼我們預計這顆恆星可以在更多的相遇中存活下來，而如果它接近10%，這顆恆星可能已經被摧毀了，”考夫林指出。

該小組將在未來幾年裡繼續關注天空，以測試他們的預測。根據他們的模型，他們預測該源將在2023年8月左右突然消失，並在2025年新剝離的物質增加到黑洞上時再次變亮。

研究小組表示，他們的研究為跟踪和監測過去已經探測到的後續源提供了一條新的途徑。這項工作還為來自外部星系中心的重複耀斑的起源提出了一個新的範式。

“在未來，很可能會有更多的系統被觀測出晚期耀斑，特別是現在這個項目提出了通過動態交換過程捕獲恆星以及隨後的重複部分潮汐破壞的理論圖景，”Coughlin說。”我們希望這個模型可以用來推斷遙遠的超大質量黑洞的屬性，並獲得對其”人口統計學”的理解，即在一個特定的質量範圍內的黑洞數量，否則很難直接實現。”

該團隊表示，該模型還對潮汐破壞過程做出了幾個可測試的預測，隨著對AT2018fyk這樣的系統進行更多的觀測，它應該能夠深入了解部分潮汐破壞事件的物理學和超大質量黑洞周圍的極端環境。

“這項研究概述了可能預測外部星系中超大質量黑洞的下一個宵禁時間的方法，”Pasham說。”如果你想一想，我們地球人可以將我們的望遠鏡對準數百萬光年外的黑洞，以了解它們如何進食和生長，這是相當了不起的。”