在許多大星系的中心，都有一個超大質量黑洞（SMBH）。我們的銀河係就是人馬座A*的所在地，它是一個大部分處於休眠狀態的超大質量黑洞，質量大約是太陽的430萬倍。然而，在宇宙的更深處，存在著更巨大的SMBH，其質量高達太陽的數百億倍，黑洞則透過引力吞噬其附近的天體（包括恆星）來增加質量。

對於不幸被超大型黑洞吞噬的恆星來說，這是一個災難性的毀滅性結局，但對科學家來說卻是幸運的，因為他們現在有機會探測星系中原本處於休眠狀態的中心。

TDE 照亮探索的道路

顧名思義，黑洞本身不會發出任何光，因此研究人員很難觀測到它們。但是當一顆恆星足夠接近一個超大質量黑洞時，它就會被黑洞巨大的潮汐引力場摧毀，這種相互作用實際上就是地球與月球潮汐相互作用的極端例子。一些被潮汐摧毀的物質會掉入黑洞，形成一個非常熱、非常亮的物質盤。這個過程被稱為潮汐破壞事件（TDE），它提供了一個光源，科學家可以用強大的望遠鏡觀察和分析。

TDEs比較罕見–據預測，在一個特定的星系中，大約每10,000到100,000年發生一次。通常每年能探測到一到二十次TDEs，但隨著新技術的出現，如目前正在智利建造的維拉-C-魯賓天文台，預計在未來幾年內將觀測到數百次TDEs。這些功能強大的天文台掃描夜空，尋找上升和下降的光源，從而”勘測”宇宙中的時變天文現象。利用這些觀測，天文物理學家可以對TDEs 進行研究，以估計SMBHs 及其摧毀的恆星的性質。研究人員試圖了解的事情之一是恆星和SMBH 的質量。雖然有一種模型被經常使用，但最近又開發了一種新的模型，目前正在進行測試。

分析模型的出現

吸積率–即恆星的恆星物質在TDE期間落回SMBH的速率揭示了恆星和SMBH的重要特徵，例如它們的質量。最精確的計算方法是進行流體力學數值模擬，利用電腦分析TDE中潮汐破壞的物質雨般落到黑洞上時的氣體動力學。這種技術雖然精確，但成本高昂，研究人員計算一個TDE 可能需要數週到數月的時間。

近幾十年來，物理學家們設計出了計算吸積率的分析模型。這些模型為了解擾亂恆星和黑洞的性質提供了一種高效、經濟的方法，但其近似值的準確性仍存在不確定性。

目前存在的分析模型屈指可數，其中最著名的可能要數”凍結在黑洞中”近似模型了；這一名稱源於這樣一個事實，即落在黑洞上的碎片的軌道周期是在與黑洞的一個特定距離（稱為潮汐半徑）上確定的，或者說是”凍結在黑洞中”。這個模型由萊西、湯斯和霍倫巴赫於1982年提出，洛達托、金和普林格於2009年對其進行了擴展，認為大質量恆星的吸積率在1到10年的時間範圍內達到峰值，取決於恆星的質量。這意味著，如果在夜空中觀察，一個星源最初可能會變亮、達到峰值，然後隨著時間的推移逐漸減弱，時間尺度可達數年之久。

新的前進之路

雪城大學物理學教授艾瑞克-考夫林（Eric Coughlin）和利茲大學理論天文物理學副教授克里斯-尼克森（Chris Nixon）在2022年提出了一個新模型，簡稱CN22模型，它將TDE的峰值時間尺度確定為恆星性質和黑洞質量的函數。根據這個新模型，他們恢復了TDE的峰值時間尺度和吸積率，與一些流體力學模擬的結果一致，但這個模型更廣泛的影響–以及它對更廣泛的恆星類型（包括恆星的質量和年齡）的預測還沒有完全闡明。

為了在更廣泛的背景下更好地描述和理解這一模型的預測，由物理系博士生Ananya Bandopadhyay 帶領的錫拉丘茲大學研究團隊開展了一項研究，分析CN22 模型的影響，並針對不同類型的恆星和不同質量的SMBH 進行測試。研究小組的研究成果發表在《天文物理學期刊通訊》。除了第一作者Bandopadhyay之外，共同作者還包括Coughlin、Nixon、物理系的本科生和研究生以及錫拉丘茲市教育局（SCSD）的學生。錫拉丘茲市教育局學生的參與是透過錫拉丘茲大學物理研究（SURPh）計畫實現的，該計畫是一個為期六週的帶薪實習項目，當地高中生與文理學院物理系的師生一起參與前沿研究。

在2022年和2023年的夏天，南加州大學的學生與雪城大學的物理學家合作進行計算項目，測試CN22模型的有效性。他們使用名為”恆星天文物理實驗模組”的恆星演化程式碼來研究恆星的演化。利用這些剖面圖，他們比較了”凍結”近似和CN22 模型對一系列恆星質量和年齡的吸積率預測。他們也對一顆類太陽恆星被超大質量黑洞破壞的過程進行了流體力學數值模擬，以比較模型預測值和數值得出的吸積率。

研究成果

據Bandopadhyay 稱，研究小組發現CN22 模型與流體力學模擬結果非常吻合。此外，也許最重要的一點是，研究發現TDE中吸積率的峰值時間尺度對被摧毀恆星的性質（質量和年齡）非常不敏感，對於像太陽這樣被質量為人馬座A*的黑洞摧毀的恆星來說，峰值時間尺度約為50天。

這結果最引人注目和最令人吃驚的是，”凍結在”模型做出了截然不同的預測。根據”凍結在”模型，同一TDE 產生的增殖率將在兩年的時間尺度上達到峰值，這與流體力學模擬的結果明顯不符。

Bandopadhyay說：「這推翻了先前關於TDE工作方式的觀念，以及徹底摧毀恆星可能產生的瞬態類型。透過證實CN22模型的準確性，我們證明了這種分析方法可以大大加快對具有不同質量和年齡的恆星破壞的可觀測特性的推論。”

他們的研究也推翻了早期的觀點，即TDEs可以用來解釋在多年跨度上達到峰值和衰減的長持續時間光變曲線。此外，Coughlin 也指出，這篇論文驗證了峰值回落率實際上與被破壞恆星的質量和年齡無關，幾乎完全由SMBH 的質量決定。

“如果測量的是上升時間，那麼可以直接窺探到的實際上是超大質量黑洞的屬性，這是TDE物理學的目標，也就是利用TDE來說明黑洞的一些情況，”考夫林說。

鑑於該論文對該領域的影響，美國天文學會邀請Bandopadhyay 在2024 年1 月11 日於新奧爾良舉行的該學會第243次會議上介紹該團隊的研究成果。

展望未來，研究小組表示，透過證實CN22模型的準確性，這項研究為研究人員打開了一扇窗，使他們能夠對TDEs做出可觀測的預測，並根據現有的和即將到來的探測結果對其進行檢驗。透過合作和智慧，錫拉丘茲大學的研究人員正在揭示黑洞物理學的細節，並幫助探索遙遠宇宙中曾經無法追蹤的領域。

編譯來源：ScitechDaily