1星系中心的怪獸——超大質量黑洞
黑洞是廣義相對論預言的一類獨特的時空結構，在中心存在奇點，它存在一個視界面，進入面內的所有物質包括光都無法逃脫最終落到奇點。目前已知的黑洞可以分為兩大類：第一類質量在幾倍到幾十倍太陽質量之間，稱作恆星級黑洞；另一類質量在幾百萬到幾十億太陽質量之間，稱作超大質量黑洞，位於星系的中心。恆星級黑洞首先由理論預言其存在，是大質量恆星死亡留下的產物，它通過吸積伴星的物質產生明亮的X射線輻射而被觀測到。超大質量黑洞的物理起源並不明確，它最初是為了解釋類星體巨大的能量輸出而被理論家提出。人們喜歡把超大質量黑洞比作怪獸，一方面是因為它吞噬物質的能力令人驚歎，類星體發出的光甚至比整個星系千億顆恆星加起來都還要亮；另一方面，它完全出乎了所有理論預言家的意料，不像恆星級黑洞在人們尋找它們四分之一世紀之前就被預告存在了。
雖然超大質量黑洞最初是以類星體的形式進入人們視野中，然而在近鄰宇宙，大部分黑洞是寧靜的，並不在猛烈地吞噬物質。此外，作為類星體中心引擎能量來源的理論需求引入，還不足以直接證明超大質量黑洞的存在。黑洞的直接影響體現在時空結構，即動力學效應上。從上世紀90 年代中期開始到現在，國際上有兩個小組，分別用美國夏威夷的凱克望遠鏡和歐洲南方天文臺位於智利的甚大望遠鏡對銀河系中心(人馬座A*)進行了連續的高分辨率觀測。他們應用新興的自適應光學技術有效克服了大氣抖動效應的干擾，分辨了單顆恆星的運動。通過對恆星運動軌跡的追蹤，重構銀心附近的引力勢，發現星系中心存在一個密度極高的區域，最合理的解釋就是一個質量大約為四百萬個太陽質量的黑洞。這是目前超大質量黑洞存在的最強證據，也是質量測量最為精確的。隨著哈勃太空望遠鏡的上天(1990年)以及地面自適應光學技術的持續發展，更多針對近鄰星系中心附近的恆星動力學和氣體動力學觀測表明超大質量黑洞不僅普遍存在，而且黑洞質量與寄主星系核球的性質(如恆星質量、光度、恆星速度彌散等)存在緊密的相關性，暗示它們很可能是共同成長與演化的，這是目前天文中最前沿的熱點問題之一。
2不鳴則已一鳴驚人——恆星潮汐撕裂事件及其豐富的科學價值
基於星系中心普遍存在超大質量黑洞的事實，我們自然會想到一個有趣的問題，如果恆星因某種因素偏離了軌道遊蕩到黑洞附近，會發生什麼？我們知道當一個物體向黑洞運動時，它受到的引力作用越來越強，與此同時，它所受到的潮汐力影響也會越來越顯著。恆星本身是一個自束縛引力系統，然而當它受到的潮汐力超過其自束縛引力時，恆星會被潮汐力撕裂瓦解。簡單分析表明，撕裂過程中大約一半物質以外流的形式甩出黑洞的引力勢範圍，另一半物質落入黑洞形成短暫的接近於愛丁頓光度的吸積盤。吸積持續的時標一般幾個月到幾年，輻射的峰值頻率在軟X射線到紫外波段，光度隨著時間以－5/3 次方的冪律形式衰減。這種事件被稱為恆星潮汐撕裂事件，英文為Tidal Disruption Event，簡稱為TDE(圖1)。
圖1 星系核區富塵埃環境下的TDE的藝術想象圖。超大質量黑洞周圍被塵埃環環繞，當恆星過於靠近黑洞，近於潮汐半徑時會被黑洞撕裂瓦解，其周圍塵埃會吸收此過程產生的紫外光學高能光子並在紅外波段產生迴響信號(來自NASA/JPL-Caltech)
TDE 作為超大質量黑洞的一種短暫吸積事件，十分罕見，目前我們才僅僅發現幾十例候選者。理論上給出的TDE發生率為平均每個星系一萬年到十萬年才發生一次，其中在矮星系中的發生率相對更高一些。最早的一批TDE在上世紀90年代由ROSAT X射線巡天發現，表現為星系中心產生的劇烈耀發信號。後來Chandra 和XMM-Newton X射線衛星上天后發現了更多類似的事例。除了X射線，隨後在GALEX 紫外巡天數據裡也發現了幾例候選者。這些發現與理論預期的TDE輻射主要集中在軟X射線到紫外是一致的，然而它們所依賴的觀測覆蓋的天區和採樣頻率都很有限，並且它們的認證完全依賴於光變曲線。最近幾年，得益於地面光學望遠鏡的大視場巡天項目的陸續開展，如美國的帕洛馬瞬變源工廠(PTF)、泛星計劃(PanSTARRS)、卡特林那實時瞬變源巡天(CRTS)、全天自動超新星巡天 (ASAS-SN)項目等，時域天文蓬勃發展，TDE 的發現數量明顯呈現增加趨勢。這些巡天的早期發現也觸發了哈勃太空望遠鏡的紫外光譜觀測，通過對這些源的紫外譜線分析與理論比較，我們(中國科學技術大學王挺貴團隊)發現產生譜線的氣體來自恆星中心核反應產物的確切證據，證實恆星撕裂事件發生。所謂時域天文，主要基於高時間分辨率的觀測，發現和研究宇宙中一些極端的、罕見的天文現象(如超新星、伽瑪暴、系外行星等)以及其他常見的光變現象(如AGN 光變等)。TDE作為黑洞特殊的短暫吸積活動產生的爆發現象，也是時域天文的主要研究目標之一。隨著未來大型綜合巡天望遠鏡(LSST)時代的到來，TDE的發現和研究預期將實現新的飛躍。
TDE雖然罕見，但它是研究黑洞吸積物理的理想天然實驗室，跟蹤整個系統的演化能給我們多方面的啟示，有巨大的研究價值。首先，TDE是寧靜星系中心超大質量黑洞存在的可靠探針，尤其是矮星系中的低質量黑洞和非近鄰星系中心的黑洞。介於恆星級黑洞與超大質量黑洞之間的，即黑洞質量在幾百倍到幾十萬倍太陽質量這個範圍的，我們一般也稱為中等質量黑洞，它們很可能是超大質量黑洞的種子黑洞。這些黑洞由於質量相對較小，探測起來也更加困難，目前發現的數目還很少。目前真正有動力學測量的中等質量黑洞僅有NGC4395，大約為30 萬個太陽質量；其餘的都是基於AGN活動特徵利用經驗關係推測的，有很大的不確定性。根據超大質量黑洞與寄主星系的共同演化模型，中等質量黑洞主要存在於矮星系中。理論上TDE 在矮星系中發生率更高，因此TDE 可以作為一種新的常規手段探測矮星系中的黑洞。發現更多的中等質量黑洞，填補恆星級黑洞與超大質量黑洞之間的鴻溝，對研究超大質量黑洞的形成與增長、與寄主星系的共同演化等至關重要。
其次，TDE對於我們理解與黑洞吸積相關的物理很有幫助。除了撕裂恆星形成的短暫吸積，更一般的，超大質量黑洞會持續吸積周圍的星際介質，形成活動星系核(active galactic nuclei，簡稱為AGN)，前面所說的類星體就是AGN的一類。黑洞處在AGN狀態下的活動週期非常長(一般認為長達幾千萬年)，我們幾乎不可能觀測到吸積的點火或熄滅過程。與之相比，TDE的活動時標非常短，通常只有幾個月到幾年。原則上，只要TDE發現足夠早，觀測採樣足夠頻繁，我們能看到從無到有再到無的整個吸積過程，這將有助於我們理解吸積盤的形成、演化與消亡。另外，大約10%的AGN是射電噪的，即帶有射電噴流，能延伸到星系甚至星系團尺度，是超大質量黑洞對寄主星系最重要的反饋形式之一。類似的，少數TDE也發現有射電噴流發射出來(如SwiftJ1644)。噴流的產生機制是AGN中的一個難題，對TDE中噴流的動態研究能極大地推動對此問題的理解。
值得指出的是，TDE能為探測非活動星系中的雙黑洞系統提供獨一無二的手段。根據等級成團宇宙學模型，星系併合也必然導致黑洞併合，宇宙中應該存在大量的雙黑洞系統。北京大學劉富坤教授領導的研究團隊致力於對雙黑洞系統TDE的理論研究。2009 年在他們發表的工作中曾經預言，當互相繞轉的雙黑洞之一潮汐撕裂恆星併產生X射線閃耀暴發時，由於另外一個黑洞對氣體流的破壞性擾動作用(引力拖拽效應)，流向第一個黑洞的氣體會暫時性被剝奪從而暫停向暴發提供燃料，導致X射線閃耀出現突然下跌至暗黑然後恢復現象(圖2(a))。2010 年，XMM-Newton衛星捕捉到一例來自大熊座星SDSSJ120136.02+300305.5 的耀發事件，長期的跟蹤觀測表明，該天體的光變曲線除遵循典型的TDE模型之外，中間突然出現截斷， 隨後又突然重現( 圖2(b))。2014 年劉富坤團隊運用他們的雙黑洞TDE模型成功解釋了這個一度讓人困惑的現象。在此之前，所有雙黑洞都是通過AGN特徵搜尋的，這是第一次在普通星系中發現雙黑洞存在的強烈證據，引起了廣泛的國際關注。
圖2 (a)超大質量雙黑洞TDE 的藝術想象圖。一顆恆星被主黑洞撕裂成細長氣體流，流向黑洞形成吸積盤產生X射線輻射。當次黑洞繞轉到氣體流附近(但不穿過)時，產生的破壞性引力擾動作用使部分氣體流飛離，留下一段空隙。X射線光變曲線則相應地出現突然下跌直至黑暗的現象(繪圖：ESA -C. Carreau)；(b)星系SDSSJ120136.02+300305.5 中雙黑洞TDE的X射線光變曲線的完整重構
此外，TDE 還能為黑洞自旋的測量提供機會。對大於１億倍太陽質量的史瓦西黑洞，恆星的潮汐瓦解半徑在黑洞視界以內，無法被觀測到，除非是帶有自旋的克爾黑洞。ASASSN-15lh此前被認為是一顆超亮超新星，而且是迄今發現最亮的超新星，爆發位置很靠近星系中心。然而它的光變曲線很特別，出現了變暗再增亮的反常特徵，去年的一項工作指出在TDE的框架下可以解釋它怪異的光變行為。根據黑洞核球相關性推測的ASASSN-15lh 寄主星系的黑洞質量高達3 億倍太陽質量，因此必須是克爾黑洞，假設被撕裂恆星為太陽大小，得到的自旋為0.68。黑洞自旋目前依然是極難測量的參數，因此，利用大質量黑洞中發生的TDE我們能對黑洞自旋參數做出一定的限制。隨著未來對TDE物理更加深入的理解和有望獲得更加豐富的觀測數據(如完美採樣的多波段光變曲線)，我們甚至能對黑洞自旋做出精確測量。
眾所周知，引力波探測獲得了2017 年的諾貝爾物理學獎，人類觀測宇宙的新窗口已經被打開了。TDE自然也會產生引力波，雖然不在現階段激光干涉引力波天文臺(LIGO)的頻率範圍內，但是作為激光干涉空間天線(LISA)的主要觀測目標之一，我們有理由對TDE引力波探測的未來前景保持期待。結合引力波與電磁波信號，TDE更加全面豐富的細節物理必將展現在我們眼前。
3氣體與塵埃的迴響
以上我們介紹了很多TDE的重要科學價值和潛在用途，主要體現在黑洞的引力效應和吸積物理過程。其實不單如此，假如把TDE比作為漆黑的夜晚劃過的一道閃電，我們不僅僅能看到閃電，還會看到被閃電照亮的物體。不同星系中的黑洞活動性差別很大，這是不是由於星系核區環境的顯著不同造成的呢？不幸的是，除了非常鄰近的星系，當代望遠鏡還不足以直接空間分辨這麼小的尺度(pc 尺度，1 pc 等於3.26 光年)。山重水複疑無路，柳暗花明又一村。TDE為我們提供了一個絕佳的機會，黑洞周圍被TDE照亮的氣體和塵埃會相對TDE本身產生一個時間上延遲的響應，在光譜和紅外輻射上留下痕跡。這個響應信號的產生形式很像迴音，我們習慣的將其稱為“回光”(light echo)，或者氣體與塵埃的迴響。由於TDE時標很短，可以看作是一個脈衝，我們看到的迴響信號就是脈衝卷積星際介質分佈之後的結果。我們不僅能通過時間延遲定出星際介質的空間尺度，甚至還能推測出它們的空間幾何分佈形式。
圖３ (a)近鄰的著名TDE 目標ASASSN-14li 3.4 μm(上)和4.6 μm(下)的中紅外光變曲線；(b)時刻1時刻的全波段能譜分佈，第一次填補了中紅外波段的輻射的空白，它來自塵埃吸收再輻射的迴響信號
TDE輻射的光子能量主要集中在軟X射線到紫外，如果黑洞周圍存有氣體，它們會不可避免的被這些高能光子電離，然後再複合產生髮射線，包括寬線和窄線，這就是所謂的氣體迴響信號。與AGN 顯著區別的是，這些信號隨著TDE的光度變化而迅速演化。此外，被TDE照射的氣體還會產生一些高電離冕線。所謂的冕線，因在太陽的日冕中發現而得名，需要很高的電離度，TDE 剛好能激發出這些冕線。馬普地外研究所Komossa 博士與中國科學技術大學周宏巖、王挺貴教授等人合作， 在星系SDSSJ095209.56 +214313.3 中首次發現了冕線與巴爾默線迅速演化的信號，暗示電離源是迅速變化的，極有可能是TDE的閃耀照射到氣體的響應。隨後王挺貴教授等人從SDSS 光譜庫中搜尋了帶有高電離冕線特徵的星系，最終找到7 個目標，後續的光譜觀測顯示其中4 個源的冕線顯著變弱甚至消失(圖4(a))，被認為是證據很強的TDE候選者。為了產生如此強的冕線，TDE必須發生在富含冷氣體的環境中，這與它們的寄主星系是盤主導的星系是一致的。利用TDE的氣體迴響，不僅能幫助我們搜尋TDE，還為我們提供了一種新的診斷核區的氣體環境的手段。
圖4 (a)極強冕線源的光學光譜變化，幾年之內冕線顯著變弱甚至消失(從紅色到黑色)；(b)瞬變冕線源的的中紅外光變曲線
與氣體迴響信號類似，黑洞周圍的塵埃也會吸收TDE產生的紫外、光學光子，被加熱後在紅外波段再輻射，我們稱之為塵埃的紅外迴響信號(圖1)。德克薩斯大學奧斯汀分校的魯文賓等人通過對簡易的一維輻射轉移模型計算發現，塵埃輻射的峰值在中紅外波段(3—10 μm)，強度取決於塵埃的覆蓋因子，對於距離較近的TDE有望被現在的紅外望遠鏡探測到。紅外迴響信號有助於我們測量TDE過程中黑洞吸積釋放的總能量，更好的理解黑洞吸積過程，同時還幾乎是現階段瞭解寧靜星系核區亞pc 尺度塵埃分佈的唯一有效手段，因此有十分重要的意義。
星系中的氣體與塵埃一般是混合的，因此塵埃迴響和氣體迴響很可能是相互聯繫的。基於這樣的思路，我們隨後檢查了上面提到的4 個具有瞬變冕線特徵的TDE 候選者的WISE 光變曲線，所有源無一例外的表現出長時標的紅外衰減(圖4(b))，同樣可以解釋為TDE的塵埃迴響。這個工作表明紅外迴響信號在TDE 發生十年(甚至更長時間)之後仍然能夠被探測到，強烈暗示它們在氣體和塵埃豐富的環境下非常普遍和顯著。塵埃迴響信號甚至可能比光學更加顯著和持久，這為研究者探測受塵埃嚴重遮蔽的此類事件提供了極佳的觀測窗口。
TDE的紅外迴響還為探測星系核區的塵埃量甚至幾何分佈提供了難得的機會。2017 年3 月英國謝菲爾德大學Tadhunter 等人在《自然·天文》上報道了極亮紅外星系F01004-2237 中發現的一例特殊的TDE，其光學波段衰減持續的時間更長，在閃耀發生幾年後仍然維持在一個較高的水平，即相比爆發之前有明顯的殘餘流量；與其他TDE 的寄主星系相反，其恆星形成活動劇烈。我們檢查它的紅外光變曲線發現，它在光學爆發前後處在寧靜狀態，而此後的3—6 年持續增亮，這與之前發現的TDE紅外迴響信號的表現形式有顯著差異。通過分析研究，紅外持續增亮現象可以由黑洞周圍3 光年左右的塵埃環吸收再輻射的迴響信號來解釋。有趣的是，這一模型也可以同時解釋F01004-2237 的光學殘餘流量——即來自塵埃的散射光子。由此我們還預言了這個源近期可以觀測到的一些現象，如中紅外光度迅速衰減(已被證實)，光學偏振信號等。這項工作被美國天文學會刊物研究亮點網站選為研究亮點，以“一顆垂死恆星的回聲”為題報道。
塵埃迴響不僅為我們探究核區環境提供了利器，也能將那些被傳統搜尋方法漏掉的TDE從塵埃的緊密包裹中挖掘出來，這對解決當前TDE的一些關鍵疑難問題可能會起到四兩撥千斤的作用。觀測上統計的TDE發生率比理論預言的要低至少一個量級，而且出人意料的更傾向於發生在後星爆星系(或者所謂的E+A星系)中。雖然一些理論嘗試通過星系併合觸發恆星形成，雙黑洞顯著增大恆星損失錐從而提高TDE 發生率來解釋，但我們卻又很少在星爆星系中發現TDE，這就產生了矛盾。一種可能的解釋是星爆星系中發生的TDE大部分是受塵埃遮蔽的，從而被以前的搜尋方法遺漏了，這與星系併合會導致氣體與塵埃內流到核區的基本圖像是一致的。我們正在開展基於紅外迴響信號系統搜尋塵埃遮蔽TDE的項目，期望在不久的將來能在解決這些問題上做出突破。
4TDE 研究的未來圖景
伴隨著時域天文的興起，TDE的研究方興未艾。除了前文提到的已開展多年的那些地面巡天，剛剛從PTF 升級的ZTF(茲維基瞬變源巡天)項目已於今年正式開始運行。ZTF 每小時就能掃描3750 平方度的天空，30 s 單次曝光深度約為20.5 等(g 和R波段)，每年對北天每個區域覆蓋約300 次，超越了之前所有時域巡天的能力。更值得期待的，LSST 將從2022 年開始在u，g，r，i，z，y六個波段對近兩萬平方度的天區做十年的重複觀測(LSST 望遠鏡設想圖見圖5(a))，預計每個天區在每個波段會被觀測大約100—200 次。尤其是，LSST單次15 s 曝光深度就能達到24.5 等(r 波段)，有能力發現大量更遠更暗的TDE。2010 年出版的美國天文未來十年規劃白皮書裡保守估計，LSST 每年至少會發現大約130 例TDE(圖5(b))，這是目前發現的所有TDE數目總和的好幾倍。稍樂觀的估計更是指出LSST每年會發現大約4000 例事件。因此，可以確信LSST 運行之後幾乎每晚都有TDE被發現，這也為後續認證和監測提出了巨大挑戰。
圖5 (a)下一代大視場巡天望遠鏡LSST，將於2022 年正式開始觀測；(b)2010 年出版的美國天文未來十年規劃白皮書裡保守估計LSST每年發現的TDE數目和不同黑洞質量的關係
再將目光轉向國內，中國科學院戰略性先導專項規劃的“十三五”空間科學任務之一愛因斯坦探針(Einstein Probe，簡稱EP)衛星也將TDE作為它的一個主要科學目標。TDE耀發時主要能段在軟X射線及紫外，而EP覆蓋0.5—4 keV的軟X射線波段，同時具有大視場及高靈敏度，可以開展快速時域巡天監測，因此非常契合TDE的探測與監測，預計每年將發現100 例左右TDE 事件。此外，目前探測到的TDE中，很少有上升和峰值階段的觀測數據。EP 的觀測模式決定其一天之內可以對同一天區進行多次觀測，從而可以發現爆發初期的TDE，提供從上升—峰值—下降的完整光變曲線。這對我們理解TDE 早期的物理過程、噴流和吸積盤冕的產生都具有重要作用。極早階段探測TDE，還有利於觸發其他設備的多波段快速跟蹤。
5總結
恆星潮汐撕裂事件(TDE)作為超大質量黑洞的一種特殊的吸積事件，是正在蓬勃發展的時域天文的主要研究目標之一。雖然TDE很罕見，但它蘊含的巨大的科學價值逐漸引起了人們的興趣和關注。它不僅可以作為普通星系中超大質量黑洞，尤其是矮星系中的黑洞存在的可靠探針，而且其獨特的暫現的物理過程為我們研究黑洞吸積物理(吸積盤的形成與消失，噴流產生等)提供了天然的實驗室。此外它對探測普通星系中雙黑洞、黑洞自旋、引力波等提供了絕佳的機會。
從國內國際正在和即將開展的項目(如ZTF、LSST和EP等)來判斷，我們有理由相信TDE研究的黃金時代即將到來。
本文選自《物理》2018年第5期
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