恒星自转或可解开长期存在的黑洞谜团

恒星自转有望破解黑洞长久以来之谜

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恒星的自转或许有助于解开一个长期存在的谜团，该谜团涉及恒星与超大质量黑洞之间的反复相遇。

大多数星系的中心都存在一个超大质量黑洞，这个天体的质量是太阳的数百万到数十亿倍。它的引力强大到足以撕裂过于靠近的恒星，但并非每次相遇都会以彻底毁灭告终。

一些恒星能够存活下来。在一次近距离掠过使恒星的一部分被剥离后，其剩余的核心可以继续绕着黑洞运行，并在数月或数年后返回，迎来另一次相遇。每次掠过都会剥离更多物质，并产生另一次光爆发，从而形成了天文学家所说的重复部分潮汐瓦解事件（rpTDE）。

宽视场时域巡天会反复扫描大片天空区域，以寻找亮度变化，这使得追踪恒星与黑洞在多次相互遭遇过程中的同一类相互作用成为可能。但有几个系统一直让天文学家们头疼不已：它们并不会每次都产生类似的耀斑，反而会变得越来越暗。

在目前已识别出的约10个重复系统中，有4个呈现出这种衰减模式。现有的理论模型难以重现这一现象。

雪城大学的天体物理学家如今提出，幸存恒星的一个特性或许能提供缺失的解释：在它首次近距离接近黑洞之前，其自转速度有多快。

这项发表在《天体物理学杂志》上的研究由博士生阿南亚班多帕德希带领开展，参与研究的有博士后研究员本杰明阿门德和助理教授埃里克科夫林，他们都来自物理系，此外还有其他机构的同事。

为什么一些恒星耀斑会逐渐消失

标准的潮汐瓦解事件（TDE）发生在黑洞对附近恒星的引力差变得足够强，足以将恒星完全撕裂的时候。

由此产生的碎片会回落或吸积到黑洞上。当这些物质失去能量时，便会发出可持续数天至数月的光。

黑洞本身不发光，所以这些暂时存在的恒星残骸为天文学家提供了一种间接研究原本不可见天体的方法。

一个关于恒星被超大质量黑洞的潮汐力撕裂的流体动力学模拟。图片来源：美国国家航空航天局S。格扎里（约翰霍普金斯大学）J。吉洛雄（加州大学圣克鲁兹分校）

一颗从黑洞旁稍远位置经过的恒星可以逃脱彻底毁灭，同时仍会损失部分质量，产生部分潮汐瓦解事件（TDE）。如果幸存的核心仍被黑洞束缚，它会反复返回，在间隔数月至数年的近距离接近过程中脱落更多物质。

每一次穿越时损失的物质数量部分取决于恒星的内部结构。班纳吉（Bandopadhyay）将低质量恒星比作蓬松的蛋白糖，这使它更容易受到黑洞潮汐力的影响。相比之下，高质量恒星的物质分布更集中在中心，就像一个洋葱，它可以在其致密的中心区域相对不受影响的情况下失去外层物质。因此，在后续的相互作用中，它损失的物质会逐渐减少。

这种区别有助于解释为何不同的部分潮汐瓦解事件（rpTDEs）表现不同，但并未解决耀斑消退的问题。似乎更合理的情况是，从恒星上剥离的物质越少，产生的耀斑就越暗，但先前的流体动力学模拟结果却并非如此。即便从一次遭遇事件到下一次遭遇事件，丢失物质的量在减少，模拟出的耀斑亮度却大致保持不变。

这件事让我们困惑了两年，班多帕德耶说。

恒星自转解决了不匹配问题

他们此前的研究揭示了黑洞潮汐力的另一种效应。除了从恒星剥离物质外，潮汐力还会产生一个扭矩，使恒星在每次近距离接触时旋转得更快。因此，虽然回落到黑洞的物质减少了，但回落的时间缩短了，这有助于使预测的耀斑亮度大致保持不变。

这一结果表明，仅减少质量损失是不够的。为了使模拟的耀斑以天文学家实际观测到的方式消退，研究人员需要班多帕德希所说的新因素——一颗在与黑洞相遇之前就已经快速旋转的恒星。

一项研究发现，初始自转显著的恒星在每次经过时不会经历同样大幅的自旋增加。没有这种额外的自旋加速，被剥离物质落回黑洞所需的时间会保持相对稳定。

其结果与早期模型不同。如果在回落时间尺度保持相近的情况下移除的物质逐渐减少，那么物质落回黑洞的峰值速率就会下降。因此，每次连续的相遇所预测的耀斑可能会变得更暗。

双体分离可能解释了自转现象

这一结果引出了另一个问题：陷入这些系统之一的恒星为何早已旋转得如此之快？

科夫林说：要将一颗恒星与超大质量黑洞如此紧密地‘束缚’在一起，使其在几个月内绕黑洞运行，这也极其困难，但在rpTDEs中，它们似乎确实做到了这一点。

所谓的希尔斯机制可能可以解释恒星的快速自转和异常紧密的轨道。在这种情况下，两颗彼此紧密环绕的恒星经过超大质量黑洞附近。黑洞将双星系统拆散，弹出其中一颗恒星，同时通过引力捕获另一颗。

在足够接近的双星系统中，恒星也会发生潮汐锁定，这意味着每颗恒星绕自身轴自转的速度与双星相互绕转的速度相同。距离更近的双星系统的轨道周期更短，因此处于这种系统中被潮汐锁定的恒星自转得更快。

对于一个被瓦解的双星系统而言，要使其中一颗恒星以快速回光潮汐瓦解事件（rpTDEs）中所观测到的短轨道周期被捕获，原始的双星对原本必须靠得极其近。同样的这种结构可能会使被捕获的恒星在首次部分瓦解之前就快速旋转。

科格林说：阿南娅的研究表明，这些特性中的每一个都可以用同一潜在现象来解释：双星系统的潮汐破坏以及其中一颗恒星的捕获。从理论角度来看，这是我们理解这些系统中物理作用的一大进步。

科夫林指出，希尔斯机制可能也影响了其他恒星群的形成。一些环绕银河系中心的超大质量黑洞人马座A运行的恒星，可能也是通过希尔斯捕获过程被安置在那里的。因此，这些发现有助于研究人员了解他所说的我们所在宇宙近邻区域内恒星的某些特性。

参考文献10。384715384357ae8f31

相关知识

恒星是由引力凝聚而成的球形等离子体天体，能通过内部核聚变反应持续释放能量，从而自身发光发热。它们是宇宙中最基本的发光天体，像太阳系的太阳就是一颗典型恒星。恒星的大小、温度和亮度差异巨大，演化过程会随质量变化，最终可能成为白矮星、中子星或黑洞等不同形态。

BY: Olivia Hall， Syracuse University

FY: AI

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参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.原文来自： https://scitechdaily.com/a-stars-spin-could-solve-a-longstanding-black-hole-mystery/

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