潮汐破裂事件及其對遙遠星系中黑洞和恒星的揭示 _星系

藝術家對潮汐破裂事件(恒星被黑洞撕裂)的描繪。貸記:美國國家航空航天局/ CXC /魏斯先生
據錫拉丘茲大學：在大多數大型星系的中心存在一個超大質量黑洞(SMBH) 。銀河系有人馬座A*，一顆大部分時間處于休眠狀態的SMBH，其質量約為太陽的430萬倍。但是如果你更深入地觀察宇宙，會發現有更大的SMBHs，其質量可以達到我們太陽質量的數百億倍。
黑洞通過引力消耗其附近的物體，包括恒星，來增加質量。對于不幸被SMBHs吞噬的恒星來說，這是一個災難性和破壞性的結局，但對于現在有機會探索星系休眠中心的科學家來說，這是幸運的。
照亮前進的道路
顧名思義，黑洞本身不發光，這使得研究人員很難觀察到它們。但是，當一顆恒星足夠靠近超大質量黑洞時，它可能會被黑洞巨大的潮汐引力場通過相互作用摧毀，這實際上是地球與月球潮汐相互作用的一個極端例子。
一些被潮汐摧毀的物質落入黑洞，在此過程中形成了一個非常熱、非常亮的物質盤。這個過程被稱為潮汐中斷事件(TDE)，提供了一個可以用強大的望遠鏡觀察和科學家分析的光源。
TDEs相對來說比較罕見——在一個給定的星系中，預計大約每10 ， 000到100，000年發生一次。一般來說，每年都會探測到一打到二十幾個TDE，但是隨著新技術的出現，像目前正在智利建造的Vera C. Rubin天文臺，預計在未來幾年將會觀測到數百個。
這些強大的天文臺掃描夜空中上升和下降的光源，從而“調查”宇宙中隨時間變化的天文現象。利用這些巡天，天體物理學家可以對TDEs進行研究，以估計SMBHs及其破壞的恒星的性質。
研究人員試圖了解的事情之一是恒星和SMBH的質量。雖然有一種模型已經被經常使用，但是最近開發了一種新的模型，并且正在進行測試。
分析模型的出現
吸積率——或在TDE過程中恒星物質落回SMBH的速率——揭示了恒星和smbh的重要特征，如它們的質量。計算這個的最準確的方法是用數值流體動力學模擬，它使用計算機來分析TDE落雨到黑洞時被潮汐破壞的物質的氣體動力學。雖然精確，但這種技術很昂貴，研究人員需要幾周到幾個月的時間來計算一個TDE 。
近幾十年來，物理學家設計了分析模型來計算吸積率。這些模型為理解破裂恒星和黑洞的性質提供了一種高效且經濟的方法，但其近似的準確性仍存在不確定性。
目前存在一些分析模型，其中最著名的可能是“凍結”近似法；這個名字來源于這樣一個事實，即落到黑洞上的碎片的軌道周期是確定的，或者說是“凍結的”，在離黑洞特定的距離處，稱為潮汐半徑。
這個模型由Lacy，Townes和Hollenbach在1982年提出，然后由Lodato，King和Pringle在2009年進行了擴展，該模型表明大質量恒星的吸積速率在一個時間尺度上達到峰值，這個時間尺度根據恒星的質量從1年到10年不等。這意味著，如果你看著夜空，一個光源可能會在幾年的時間尺度內開始變亮，達到峰值，然后隨著時間的推移而減弱。
新的前進方向
錫拉丘茲大學物理學教授埃里克·庫格林和利茲大學理論天體物理學副教授克里斯·尼克森在2022年提出了一個新模型，簡稱為CN22模型，它將TDEs的峰值時間尺度確定為恒星屬性和黑洞質量的函數。
從這個新模型中，他們恢復了TDE峰的時標和吸積率，這與一些流體動力學模擬的結果一致，但這個模型的更廣泛的影響——以及它對更廣泛的恒星類型的預測，包括恒星的質量和年齡——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領導的錫拉丘茲大學研究人員團隊進行了一項研究，以分析CN22模型的含義，并針對不同類型的恒星和各種質量的SMBHs進行測試。
該小組的工作已經發表在《天體物理學雜志快報》上。除了主要作者Bandopadhyay之外，合著者還包括庫格林、尼克森、物理系的本科生和研究生，以及錫拉丘茲市學區(SCSD)的學生。
SCSD學生的參與是通過錫拉丘茲大學物理學研究(SURPh)項目實現的，這是一個為期六周的帶薪實習項目，當地高中生可以與文理學院物理系的師生一起從事前沿研究。
在2022年和2023年的夏天， SCSD的學生與錫拉丘茲的物理學家合作進行計算項目，測試CN22模型的有效性。他們使用一種叫做“恒星天體物理學實驗模塊”的恒星演化代碼來研究恒星的演化。
利用這些剖面，他們比較了“凍結”近似和CN22模型對一系列恒星質量和年齡的吸積率預測。他們還對超大質量黑洞對類太陽恒星的破壞進行了數值流體動力學模擬，以將模型預測與數值獲得的吸積率進行比較。
他們的發現
據Bandopadhyay稱，研究小組發現， CN22模型與流體動力學模擬非常吻合。此外，也許是最深刻的發現是，TDE中吸積速率的峰值時間尺度對被摧毀的恒星的性質(質量和年齡)非常不敏感，對于像我們的太陽這樣被質量為速騰A*的黑洞摧毀的恒星來說，大約是50天。
關于這一結果，最引人注目和令人驚訝的是，“凍結”模型做出了一個非常不同的預測。根據“凍結”模型，同樣的TDE會產生一個吸積率，在兩年的時間尺度內達到峰值，這與流體動力學模擬的結果明顯不符。
Bandopadhyay說:“這推翻了以前持有的關于TDEs工作方式以及完全摧毀一顆恒星可能會產生何種瞬態的概念。”“通過確認CN22模型的準確性，我們證明了這種類型的分析方法可以大大加快推斷具有不同質量和年齡的恒星破裂的可觀測屬性。”
他們的研究也解決了之前的另一個誤解。通過澄清完整的TDEs不能超過一個月的時間尺度，他們否定了早期的信念，即它們可以用來解釋在多年跨度上達到峰值和衰減的長期光變曲線。
此外，庫格林指出，這篇論文驗證了峰值回落率實際上獨立于被破壞恒星的質量和年齡，幾乎完全由SMBH的質量決定，這是一個關鍵指標，像CN22這樣的模型可以幫助研究人員限制smbh的質量。
“如果你測量上升時間，你可以直接窺視超大質量黑洞的屬性，這是TDE物理學的圣杯——能夠使用TDEs來說一些關于黑洞的事情， ”庫格林說。
Bandopadhyay承認這篇論文對該領域的影響，并應美國天文學會的邀請，于2024年1月11日在新奧爾良舉行的學會第243次會議上介紹了該團隊的發現。
展望未來，該團隊表示，通過確認CN22模型的準確性，這項研究為研究人員打開了一個窗口，可以對TDEs進行可觀測的預測，可以根據現有和即將到來的檢測進行測試。通過合作和獨創性，錫拉丘茲大學的研究人員正在揭示黑洞物理學的細節，并幫助探索遙遠宇宙中曾經無法追蹤的領域。