数亿光年外的遥远星系中一颗围绕超大质量黑洞运行的恒星在巨大引力下被猛烈撕裂

这幅插图显示了一颗恒星在潮汐破坏耀斑中被超大质量黑洞吞噬时发出的发光物质流。

当一颗恒星经过黑洞的一定距离内时 - 足够接近被引力破坏 - 恒星物质在落入黑洞时被拉伸和压缩。

（NASAJPL-加州理工学院）

这幅插图描绘了一颗恒星（前景）在“潮汐破坏事件”期间被超大质量黑洞（背景中）吸入时经历意大利面条化。

（ESOM Kornmesser）

（神秘的地球uux.cn）据美国物理学家组织网（作者：Dan Bernardi，雪城大学）：在数亿光年之外的一个遥远星系中，一颗围绕超大质量黑洞运行的恒星正在黑洞的巨大引力下被猛烈撕裂。

当恒星被撕碎时，它的残余物被转化为一股碎片流，这些碎片落回黑洞，形成一个非常热、非常明亮的物质盘，围绕黑洞旋转，称为吸积盘。

这种现象 - 恒星被超大质量黑洞摧毁并助长发光吸积耀斑 - 被称为潮汐破坏事件（TDE），并且预测TDE大约每10，000至100，000年在特定星系中发生一次。

由于光度在短时间内（即比太阳亮数十亿倍）超过整个星系（即比我们的太阳亮数十亿倍），吸积事件使天体物理学家能够从宇宙学距离研究超大质量黑洞（SMBH），为其他静止或休眠星系的中心区域提供了一个窗口。

通过探测这些强引力事件，爱因斯坦的广义相对论对于确定物质的行为至关重要，TDE产生了有关宇宙中最极端环境之一的信息：黑洞的事件视界 - 不归路。

TDE通常是“一次性完成的”，因为SMBH的极端引力场会破坏恒星，这意味着SMBH在吸积耀斑后会逐渐消失在黑暗中。

然而，在某些情况下，恒星的高密度核心可以在与SMBH的引力相互作用中幸存下来，使其能够多次绕黑洞运行。

研究人员称之为重复部分TDE。

一组物理学家，包括主要作者，欧洲南方天文台研究员Thomas Wevers，以及共同作者，雪城大学物理学助理教授Eric Coughlin和麻省理工学院Kavli天体物理和空间研究所的研究科学家Dheeraj R. “DJ” Pasham提出了重复部分TDE的模型。

他们的研究结果发表在《天体物理学杂志快报》上，描述了SMBH捕获恒星，每次恒星接近黑洞时物质的剥离，以及材料被剥离和再次进入黑洞之间的延迟。

该团队的工作是第一个开发和使用重复部分TDE的详细模型来解释观测结果，预测遥远星系中恒星的轨道特性，并了解部分潮汐破坏过程。

该团队正在研究一种名为AT2018fyk的TDE（AT代表天体物理瞬变）。

这颗恒星是由SMBH通过称为“希尔斯捕获”的交换过程捕获的，其中恒星最初是双星系统（两颗恒星在相互引力下相互绕行）的一部分，该系统被黑洞的引力场撕裂。

另一颗（未捕获的）恒星以~1000公里/秒的速度从银河系中心喷射出来，被称为超高速恒星。

一旦绑定到SMBH，为AT2018fyk发射提供动力的恒星每次通过与黑洞最接近的点时都会反复剥离其外壳。

恒星剥离的外层形成了明亮的吸积盘，研究人员可以使用X射线和紫外线/光学望远镜来观察来自遥远星系的光线。

根据Wevers的说法，有机会研究部分TDE可以对超大质量黑洞的存在和星系中心恒星的轨道动力学提供前所未有的见解。

“到目前为止，人们的假设是，当我们看到恒星和超大质量黑洞之间近距离相遇的后果时，结果对恒星来说将是致命的，也就是说，恒星被完全摧毁，”他说。

“但与我们所知道的所有其他TDE相反，当我们几年后再次将望远镜指向同一位置时，我们发现它再次变亮。

这导致我们提出，与其说是致命的，不如说是恒星的一部分在最初的遭遇中幸存下来，并返回同一位置再次被剥离物质，从而解释了重新变亮的阶段。

活到死的一天

AT2018fyk于2018年首次被发现，最初被认为是普通的TDE。

在大约600天的时间里，光源在X射线中保持明亮，但随后突然变暗并且无法检测到 - 这是恒星残余核心返回黑洞的结果，麻省理工学院物理学家Dheeraj R. Pasham解释说。

“当核心返回黑洞时，它基本上通过引力从黑洞中窃取了所有气体，结果没有物质可以吸积，因此系统变暗，”Pasham说。

目前还不清楚是什么导致了AT2018fyk光度的急剧下降，因为TDEs通常会平滑地逐渐衰减 - 而不是突然 - 在其发射中。

但在下降大约600天后，再次发现源是X射线明亮的。

这导致研究人员提出，这颗恒星在第一次与SMBH的近距离接触中幸存下来，并且在黑洞的轨道上。

使用详细的建模，研究小组的发现表明，恒星围绕黑洞的轨道周期大约为1，200天，从恒星脱落的物质大约需要600天才能返回黑洞并开始吸积。

他们的模型还限制了捕获的恒星的大小，他们认为这颗恒星的大小与太阳差不多。

至于最初的双星，研究小组认为这两颗恒星在被黑洞撕裂之前彼此非常接近，可能每隔几天就会相互绕行。

那么，一颗恒星如何在死亡中幸存下来呢？这一切都归结为接近度和轨迹的问题。

如果恒星与黑洞正面相撞并经过事件视界 - 逃离黑洞所需的速度超过光速的阈值 - 恒星将被黑洞吞噬。

如果恒星非常靠近黑洞并穿过所谓的“潮汐半径” - 洞的潮汐力比保持恒星在一起的引力强 - 它将被摧毁。

在他们提出的模型中，恒星的轨道到达一个最接近的点，就在潮汐半径之外，但并没有完全穿过它：恒星表面的一些物质被黑洞剥离，但其中心的物质保持不变。

重复表演？

恒星绕SMBH运行的过程如何或是否会发生在许多重复的通道中，这是一个理论问题，该团队计划在未来的模拟中研究这个问题。

锡拉丘兹物理学家埃里克·考夫林（Eric Coughlin）解释说，他们估计每次通过黑洞时，恒星质量的1%到10%都会丢失，由于TDE发射建模的不确定性，范围很大。

“如果质量损失只有1%的水平，那么我们预计这颗恒星能够存活更多的遭遇，而如果它接近10%，恒星可能已经被摧毁了，”考夫林指出。

TDE 研究的未来

该团队将在未来几年内关注天空，以测试他们的预测。

根据他们的模型，他们预测源将在2023年3月左右突然消失，并在2025年新剥离的物质吸积到黑洞时再次变亮。

该团队表示，他们的研究为跟踪和监测过去检测到的后续来源提供了新的前进方向。

这项工作还提出了一种来自外部星系中心的重复耀斑起源的新范式。

“在未来，可能会有更多的系统被检查为后期耀斑，特别是现在这个项目提出了通过动态交换过程捕获恒星的理论图景以及随后的反复部分潮汐破坏，”考夫林说。

“我们希望这个模型可以用来推断遥远的超大质量黑洞的性质，并了解它们的”人口统计“，即给定质量范围内的黑洞数量，否则很难直接实现。

该团队表示，该模型还对潮汐破坏过程做出了一些可测试的预测，并且随着对AT2018fyk等系统的更多观测，它应该可以深入了解部分潮汐破坏事件的物理学和超大质量黑洞周围的极端环境。

“这项研究概述了可能预测外部星系中超大质量黑洞下一次零食时间的方法，”Pasham说。

“如果你仔细想想，我们在地球上可以将我们的望远镜对准数百万光年外的黑洞，以了解它们是如何喂养和生长的，这是非常了不起的。

银河系中心藏着一个黑洞，为什么年轻恒星还敢靠近？

一颗恒星绕着一片黑暗跑，跑到最近的地方，速度能达到每秒几千公里。

它没有撞上一颗更亮的星，也没有突然消失，而是拐过弯，继续绕圈。

天文学家盯着它看了多年，终于算出那片看不见的区域里，挤着相当于四百多万个太阳的质量。

我们所在的银河系，心脏处藏着一个黑洞。

事情到这里，本来已经足够惊人。

但镜头再往周围拉一点，你会发现另一个麻烦：黑洞附近竟然有一群年轻恒星。

那里的引力差异能扯散气体云，按简单的想法，造一颗新星应该很困难。

它们却明晃晃地待在那里。

这个最不适合安家的地方，怎么偏偏住进了一群年轻住户？ 先别急着把飞船开过去。

银河系中心距离我们约两万六千光年，望远镜接收到的光，出发时人类还没有今天的城市。

而且，挡在路上的气体和尘埃很多，用普通可见光去看，就像隔着一层层烟找一盏灯。

肉眼能看见银河横过夜空，却没法直接看清那个最关键的中心。

科学家换了办法：用红外线穿过部分尘埃，再用更大的望远镜、更精细的技术，压低大气扰动带来的模糊。

原来挤成一团的光点，逐渐分出了各自的位置。

隔一段时间拍一次，再把照片连起来，星星就动了。

你以为恒星都钉在天上，只是因为平时离它们太远，看不到这种快进后的舞蹈。

其中一颗著名的恒星叫S2，绕中心一圈大约需要十六年。

它的路线不是一个漂亮的正圆，而是一条很扁的椭圆：远处慢一点，贴近中心时猛然加速，再冲向远处。

我们熟悉的行星也有类似规律，只不过这颗星面前的引力来源，比太阳强得多，而且大部分看不见。

这正是证据最硬的地方。

无需先拍到黑洞，恒星怎么运动，就能帮助我们给中心称重。

轨道的大小、周期和速度合起来，限定了那里必须有多大的质量；多颗恒星的运动又相互印证。

质量这么大，范围又这么小，用一堆普通恒星勉强凑出来，会遇到稳定性和观测上的难题。

2022年，事件视界望远镜合作组织公布了银河系中心黑洞的图像。

它叫人马座A星，名字里的“星”是历史命名的一部分，别把它当成一颗正常发光的恒星。

照片中那个偏橙色的环，也不是黑洞表面被烧红了。

我们看到的是周围炽热物质的辐射，以及强引力作用下形成的亮暗结构。

中间的暗区与黑洞阴影有关。

掉进事件视界以内的光无法再出来，周围的光路还会被弯曲，最后形成我们能接收到的图像。

颜色经过了科学可视化处理，橙色不是它在眼睛里本来就会呈现的样子。

但这不妨碍它成为一张重要的实测图：天文学家终于把恒星轨道和中心附近的影像，对到了一起。

既然它这么重，为什么没有把整个银河系一口吃掉？因为黑洞不会隔着两万多光年，像吸尘器一样把一切吸过去。

远离它的地方，引力仍按距离衰减。

假如把太阳换成一个质量相同的黑洞，地球的轨道并不会因此立刻崩溃，只是阳光没了。

当然，真实的银河系中心黑洞质量远大于太阳。

更重要的是，太阳绕银河系运行，受到的不仅是中心黑洞的引力，还有恒星、气体以及暗物质等共同构成的引力场。

把整座银河理解成一个黑洞牵着所有星星转，会漏掉绝大多数质量。

人马座A星在自己附近非常有统治力，放到整个银河的尺度上，却不能包办所有事情。

现在再回到那些年轻恒星。

麻烦不在于“靠近黑洞的星一定会被吃掉”，稳定轨道上的恒星可以长时间生存。

真正难的是它们怎样形成。

造恒星需要气体聚集，越聚越密，最后塌缩。

但黑洞附近，气体云两端受到的引力可能差很多，一边被拽得更快，一边跟不上，云就容易被拉散。

这有点像你想把一把细沙堆成小塔，桌子却一直从两个方向拉扯。

沙塔不是绝对堆不成，但原先那套轻松的办法，未必还管用。

科学家因此把问题称作银河系中心的“年轻恒星悖论”。

这里的悖论，不是自然违反了物理规律，而是观测给出了结果，我们还得解释过程。

一种思路是，它们可能在较远、比较有利的环境里出生，之后通过动力学过程走近中心。

另一种思路是，足够密集的气体盘在特定条件下，也可能抵抗拉扯并形成恒星。

还有涉及双星的机制：两颗相互绕行的恒星靠近黑洞，可能被拆散，一颗被甩走，另一颗留在紧靠黑洞的轨道上。

这些方案都不能只凭一句“也许”就算过关。

它们要解释恒星的年龄、质量、轨道方向和分布，解释为什么有些星像组成了一张盘，有些星的路线又显得杂乱。

每多测准一条轨道，就多一道必须通过的检查。

不同区域、不同群体，也未必都来自同一条出生路线。

中心附近还有气体、尘埃、磁场和偶尔增强的辐射，并非一片什么都没有的黑色空地。

黑洞吃进去的物质不总是很多，却会发生亮度变化。

想象你隔着很远拍一只不断晃动的动物，每次快门里的细节都变了，就能理解为什么给它做成清晰图像，比拍一个固定目标费劲得多。

恒星的运动，还能让这里变成检验引力理论的现场。

S2接近黑洞时，光谱会出现与强引力和高速运动有关的变化；它的轨道方向也会缓慢转动，画出来像逐次展开的花瓣。

这些观测与广义相对论的预言相符。

看起来奇怪的动作，反而给我们提供了计算能不能对上现实的机会。

所以，听到“银河系中心不对劲”，先别把它理解成那里开了宇宙传送门。

一个看不见的重物、一群不容易解释出生过程的年轻星，再加上快速变化的气体，已经足够让天文学家忙上几十年。

研究里的悬念，可以很大，但不需要拿外星文明或时空裂缝给它加戏。

而且，我们此刻看到的是那个区域很久以前的样子。

这个距离决定了任何新信息都要花很长时间才能抵达。

它不是窗外正在发生的一场爆炸，也没有证据表明中心黑洞即将沿着银河冲向地球。

它让人紧张的，是尺度和环境；让科学家着迷的，是我们真的能把这些东西一点点量出来。

如果未来真能站在一艘安全的观测飞船上，从远处望向那里，最先让你惊讶的未必是黑。

周围的恒星会很拥挤，气体在不同波段下呈现复杂结构，最深处的目标却依然不能直接发光。

危险与热闹挤在同一个地方，恒星还在沿着各自的路线赶路，丝毫没有给我们的直觉留面子。

银河系中心最有意思的秘密，就藏在这种反差里：一个黑洞已经被多条证据确认，一群年轻恒星的来历仍值得追问。

S2每绕完一圈，都替我们补上几笔答案。

夜空里那些看似静止的小点，其实正在最极端的引力场旁边跑。

我们暂时去不了，却已经能听懂它们脚步里的信息。

韦伯看见早期宇宙里的大星系，真的把理论推翻了吗？

如果给一个刚上幼儿园的孩子拍照，照片里却站着一个两米高的成年人，你的第一反应会是什么？年龄记错了，照片认错了，还是他真的长得太快？韦伯望远镜看向早期宇宙时，天文学家遇到了有点相似的麻烦：一些遥远目标，亮得让人怀疑它们是不是来得太早、长得太大。

于是，“宇宙模型错了”“大爆炸被推翻”这样的标题迅速出现。

一张深空照片，仿佛把几代人的理论同时掀了桌。

可是，如果你把那些小小的红色亮点放大，最关键的问题才刚开始：我们看到的光，到底由谁发出来？这处答案的差别，足以改变一整个星系的“体重”。

韦伯擅长观察红外光。

宇宙膨胀会拉长遥远天体发出的光的波长，原本较短波长的光，抵达我们时可能已经进入红外范围。

它能够帮助人类观察很早的星系，看到恒星与黑洞成长初期留下的光。

那里不是今天的现场，而是经过漫长旅程，终于到达望远镜的旧画面。

早期宇宙的麻烦，是时间不太够用。

气体要聚集，恒星要形成，小系统要成长，有时还要经历合并。

如果在宇宙诞生仅几亿年后的画面里，就出现许多看起来十分庞大的星系，研究人员当然会追问：已有的成长模型是否把某些过程算慢了？或者我们估计它们质量的方法，有没有偏差？ 注意照片并不会直接显示质量。

望远镜接收到光，研究人员再结合距离、光谱与恒星模型，估计目标拥有多少恒星。

这个过程有点像夜里远看一栋楼，通过亮着的窗户估计住了多少人。

你得知道窗户平均有多亮，也得判断有没有一盏特别强的探照灯，把整栋楼照得比实际更热闹。

早期星系里的恒星，未必与附近星系的恒星具有相同年龄分布。

年轻的大质量恒星很亮，少量这样的恒星就能贡献许多光；尘埃又会改变不同波段的亮度。

即便确实来自恒星，怎样把光换算成质量，仍需要谨慎。

看起来很亮，可以是星很多，也可以是某些星特别能发光。

那盏“探照灯”还有一个更惊人的候选者：正在吞吃物质的黑洞。

黑洞自身不把内部的光送出来，但周围落入的气体会在复杂运动中变热并释放强烈辐射。

如果一部分亮光来自这种过程，却都被算成恒星发出的光，星系中的恒星质量就可能被高估，像把舞台灯也算成了观众。

韦伯发现的一类紧凑红色目标，被称为“小红点”。

这个名字几乎没有替它们做解释，只是把观测到的样子记下来。

它们很小、很红，有些光谱里还出现宽阔的氢谱线，提示发光气体有很大的运动速度。

正在吸积的黑洞，是解释部分目标的重要方向，但整类对象的性质仍有争论。

所以，把一张图里每一个红点都叫“过于巨大的星系”，会过早给它们定身份。

研究人员需要继续测光谱，查看不同波长的特征，比较黑洞、气体、恒星各自可能贡献多少。

第一张照片给的是线索，后续测量才逐渐拆开线索里混在一起的东西。

这也解释了为什么新闻里的结论会变化。

2024年，一项对韦伯早期星系的研究就强调，部分目标的光可能受到黑洞贡献影响，剔除这种干扰后，某些原先夸大的恒星质量可以降下来。

它没有让所有问题消失，却说明一个很现实的反转：所谓“宇宙没时间造出它”，有时可能是我们一开始把它估得太重了。

但别马上走到另一个极端，说这些发现原来只是误会。

即使修正了部分质量，早期星系为什么如此明亮、恒星形成效率怎样、黑洞为什么那么早成长起来，依然需要研究。

韦伯带来的价值，恰恰是让这些问题有了更详细的证据。

原本模糊的远方，现在终于能提出更尖锐的问题了。

这里还藏着一个层级差别。

宇宙学模型描述宇宙整体怎样膨胀、物质成分如何影响大尺度演化；星系形成模型则要处理气体冷却、恒星形成以及能量反馈。

后一层里某些参数需要修改，并不自动意味着前一层已经崩塌。

厨房里的烤箱温度估错了，不能立刻证明整栋楼的建筑图是假的。

当然，整体模型也不是不可挑战的。

假如大量独立观测持续出现无法解释的矛盾，就需要认真检查基础假设。

但要达到这一步，得排除测量偏差、目标识别错误和模型中的普通不确定性。

一个诱人的候选体，或者一篇刚出来的分析，还不足以替所有证据宣布最后结局。

远方目标的距离也需要核实。

几种滤镜中的颜色可以帮助挑选很遥远的候选星系，却可能被较近的尘埃丰富目标混淆。

光谱能提供更可靠的红移信息。

因此，你看到“最远候选星系”时，要留意候选两个字；完成进一步确认以后，才更适合拿它的年龄去检验宇宙成长的速度。

已经确认的早期星系同样令人吃惊。

例如韦伯对JADES-GS-z14-0的光谱观测，显示我们看到的是大爆炸后约2.9亿年的它。

这个具体例子告诉人类，很早的宇宙已经能形成明亮星系。

它不必被包装成“当天推翻全部理论”，也足以让研究人员重新琢磨气体如何快速变成恒星。

还有些研究，正在探索被浓密气体包围的黑洞，是否能解释部分小红点的表现。

听起来像科幻的“黑洞星”，在这里指的是一类模型解释，不是已经给每个红点确定了户口。

不同模型要接受光谱等观测的检验，哪一项能同时解释更多特征，哪一项才更有说服力。

对普通读者来说，这种一步步修正往往没有“理论全错”那么痛快。

可真实的探索就发生在这里：同一束光中到底包含多少恒星，多少发热气体，目标究竟多远？每答对一个问题，宇宙的历史就少一点模糊。

被修改的数值，是更接近真实的代价，不是科学不许承认的丢脸现场。

你还可以做一个小小的阅读检查。

新闻说“过于庞大”，究竟指尺寸大，还是推断的恒星质量高？说“太早出现”，距离有没有光谱确认？说“模型解释不了”，是哪个模型、哪组假设？这几个问题一问，许多看起来气势汹汹的标题，就会恢复成一项具体研究本来的样子。

目前，韦伯的早期星系观测正在推动对星系与黑洞形成的研究，不能据此断言大爆炸已被推翻。

未来也可能出现迫使我们进一步改理论的新证据，没有人能提前把门关上。

但改多少、改哪一层，应该由可重复的观测决定，不能由一张照片配上的惊叹号决定。

那张深空照片依然值得多看一会儿。

画面里的小亮点，有些把我们带到宇宙刚开始形成星系的年代。

人类第一次看清它们，就发现以前设想的成长过程可能还不够完整。

最让人想继续追下去的，其实是这个尚未结束的故事：在那么年轻的宇宙里，究竟是谁先把灯打开了？