看，黑洞打了个饱嗝儿 | 申荣锋——科学讲坛
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“这些黑洞会偶然吞噬一颗恒星，这样突然提供食物和物质给它，就会发光变得很亮，我们就能探测到黑洞的存在。”
申荣锋
中山大学物理与天文学院副教授
我今天跟大家聊聊黑洞是如何吞噬恒星的？我们都听说过黑洞的概念，知道黑洞是不发光的，任何光子也逃不出它的引力束缚范围，黑洞不辐射便不能被看见，如何去证实黑洞的存在？去寻找它在宇宙中什么地方呢？
X射线来自哪里？
这个要追溯到上世纪60、70年代的时候，人类将X射线探测器发射到太空中，X射线就是我们用来照射X光的，是能量特别高的光子。
在那个时候我们发现，太空中有若干个发射很强的X射线的源，X射线来源于什么地方？它不太可能来自一个普通的恒星，因为恒星表面温度不够高。
那就有一个猜测，这可能是一颗双星，其中一个是恒星，另外一个是致密天体。
恒星表面的气体，可能被致密天体的强硬力场拉过来，然后这些气体在致密星周围形成一个盘，气体从这个盘向这个致密星中流动，盘的温度会加热到很高，所以它就有可能会发射很多X射线。
但是这个不能告诉我们致密的天体就是黑洞，因为还有其他种类的致密天体也可以产生这样X射线的发射。
关于这个问题，其中某个X射线源是特别亮的，叫做天鹅座X1。两位著名学家用这个源打了一个赌，还设立了一个赌约，其中一位是毕生研究黑洞的霍金，另一位是前年获得诺贝尔奖的基普索恩。
霍金说，如果天鹅座X1被证实是黑洞他就输了，否则他就赢了。
霍金与赌约
为什么设这样一个赌约呢？这是他做的双保险的策略，“虽然我是研究黑洞的，但是如果证实这个天鹅座X1不是黑洞，我就赢了，至少能够打赢这个赌约”，赌约的赌值就是当时流行的杂志。最后天鹅座X1这个源被确认是一个真正的黑洞。
如何测量及探测黑洞？
怎么知道它是一个真正的黑洞？要看致密天体的质量，这些致密天体是怎么来的？
当恒星死亡时，它的内核塌缩形成致密星，如果要形成黑洞，恒星的质量需要非常大，最终黑洞形成的质量比太阳质量还要大3倍，其他致密天体的数量要小于这个数值。
只要我们能够精确地测量致密天体的质量，就可以知道它是不是黑洞。怎么测呢？
通过测量双星当中可见恒星的运动，这个黄色的圈就是在黑洞周围形成的吸积盘，在光学上，你只能看到这颗大的恒星。通过测量它的速度随着时间的变化，就可以知道这个致密星的质量，最终测量到天鹅座X1这个黑洞的质量是太阳质量的14倍。
这类双星中的黑洞代表的是一类质量级别的黑洞，我们称为“恒星质量级”黑洞。另外，我们知道宇宙中有更大质量级的黑洞，被称为“超大质量黑洞”。它们都处于星系的中心，怎么去探测到它们呢？
这些星系的中心有很多气体存在，这些气体实际上是一种提供给黑洞的食物，如果这些气体往黑洞靠近的话，将以盘旋的形式往中心旋进。
右边的照片就是最近拍到的一个遥远星系的大质量黑洞，这个就是叫M847的星系中心。中间黑色区域就是黑洞造成的阴影，周围环状的就是这些气体盘旋形成的影像。
通过吸积盘观测到黑洞
在我们生活的星系中也有一个超大质量黑洞，通过长年累月观测银河系当中恒星的运动轨迹，我们就可以精确画出这些恒星的运动轨道，然后推算出这个黑洞的位置和质量。
恒星的运动轨道
黑洞如何吞噬恒星？
放眼宇宙，我们几乎可以说每个星系都存在超大质量黑洞，但是每个星系中并不一定存在大量气体，因此大多数星系没有足够的“食物”供应，黑洞就不会发光。
绝大多数星系的黑洞都是处于“冬眠”状态，我们怎么发现这些处于“冬眠”状态的黑洞呢？
然后它们互相碰撞，它们的轨道会变得越来越圆，最终就会形成一个盘，盘的辐射非常亮。
如果有这样的事情发生的话，具体会分几个步骤呢？
第一步：恒星先被切开（潮汐瓦解）。
潮汐瓦解
就像吃面包一样，它会被扯开，这是通过黑洞的潮汐力来实现的。当恒星的质量运动到很大时，会像面条一样被拉长，然后恒星的组成物质就变得非常弥散。
这种潮汐力是由于黑洞对恒星的引力，在恒星的两面有差值造成的。这两面的差值也发生在地球和月亮之间，地球朝向月亮或者是背离月亮，所受到的引力是不一样的，这就是地球上发生海水潮起潮落的原因。
第二步：咽下（吸积气体残骸）。
这个恒星被撕碎以后，它的残骸气体就重新返回接触、相互碰撞，它们的轨道会变得越来越圆，最终形成一个盘，这些气体在盘里面流向黑洞，被黑洞吞噬掉。
第三步：打个饱嗝儿（产生耀发辐射）。
气体在被吞噬掉的过程中会产生很强的电磁波的辐射，在短时间内可以发出很强的光。我们称之为耀发的辐射，就像黑洞吃了食物后会打饱嗝儿一样。
我们探测到这些辐射，就可以知道某一个星系的中心确实存在这样的黑洞。
产生耀发辐射
这种方法是英国剑桥大学天体物理学家马丁·里斯教授在三十多年前提出来的。
马丁·里斯
1988年至今，我们共探测到大概30例潮汐瓦解事件。
5个代表性事例的亮度变化组成曲线
上方的图就是5个代表性事例的亮度变化组成的曲线。
潮汐瓦解事件为何如此少见？
为什么至今为止探索到的事件这么少呢？因为恒星被潮汐瓦解的事件发生的几率非常小。
恒星被黑洞的潮汐瓦解，要求它离黑洞的距离必须非常近。而这些恒星原来距离黑洞的位置是非常远的，最初这些恒星所居住的区域离黑洞的距离，与它被瓦解时的距离，这两个距离的比值是100万比1或者是1000万比1。
一颗恒星运动到黑洞附近需要经过恒星与恒星的相遇，这就相当于打台球一样的，只是在这个过程当中，恒星们没有碰到彼此。在碰到对方之前，两者之间的引力已经把恒星的运动轨道改变了，这就是引力散射的过程。
这个事件的概率是非常低的，就像你要将一枚硬币掷到十公里之外的路面的下水道口，而这个下水道口是被盖子盖住的，盖子上有一格格的空隙，要在10公里外把这个硬币扔到下水道里面，这个难度是非常高的。
我是怎么开始研究这种事件呢？那是2011年我在国外读博士后的时候，天文学家发现了一件这样的事例，它的代号叫Swift J1644+57。这是事例发生以后亮度衰减的曲线，可以看到亮度随时间变化是逐渐衰减的。
辐射是来自气体形成的吸积盘，这些物质在盘里往黑洞移动被吞掉的过程，就是盘的质量逐渐衰减的过程，当气体越来越少的时候，它的亮度就变得越来越低。
当这个事件勾起了我的兴趣以后，我开始去思考盘里的物质是如何减少的？在里斯提出这个模型时，他预测是一个连续衰减的过程，就像图片所示。
但是我发现，这个盘随着时间的演化，里面气体的亮度不是光滑地在衰减，而是有一个拐折，就像下图的红圈显示的那样。
这个事件显示亮度会经过一个非常快的降低。
因为这个源很亮，能被长时间观测到，后续的观测结果如红圈显示，确实表明它的亮度经过一个快速下降的阶段。我非常高兴能够看到这样的数据，因为跟我模型的预测非常吻合。
吸积盘的气体亮度为何会突然降低？
为什么亮度会突然降低呢？那是因为盘在随着时间演化过程中，它会经历过三个不同的物理状态，就像下图的曲线显示的。它分为三段，中间一段是不稳定的状态，当盘进入这个阶段就开始变得不稳定。
但是气体盘能够调节自己，达到临近相对稳定的状态，这个阶段对应的就是曲线最下面这一段。在这里气体往黑洞里流入的速度要比之前低得多，这就使得盘的亮度变得很低。
这个过程像是我们坐飞机降落一样，在降落之前飞机平稳飞行，但是由于高度下降，大气层变得不稳定，飞机会经历短暂的抖动，飞行员不得不使飞机快速下降。等降到更低区域的时候，大气会变得相对稳定，所以后面的降落过程，就会变得比较稳定和缓慢。
亮度随着时间衰变过程这个物理解释，后续在其它三个潮汐瓦解事例中也得到了验证。其他三个瓦解事例在晚期也存在一个比较剧烈的降低。
恒星瓦解事例的过程是非常有趣的，除了亮度衰减这个特征之外，还有其他的过程值得研究。
比如说黑洞如果是快速旋转的，旋转的特性会影响气体回落形成盘的过程，那在亮度变化曲线里面有什么特征？这也是非常有意思的值得研究的方向。
另外在恒星被瓦解之前，它会运动到离黑洞很近的地方。这个过程对应着会有更强的引力波的辐射，这种引力波如同电磁波，是一个全新的研究天体的手段。这也是一个关于潮汐瓦解事例有趣的研究方向。
但是我们需要观测到更多这样的事例。因为这种事例是不太频繁发生，需要我们在某一个时刻，能够对大面积的天空同时进行观测，这就是我们建造更灵敏而且观测区域更广的望远镜的原因。
这是中国正在建造的爱因斯坦探针望远镜。
我们期待未来有更多这样的事例，能发现更多的黑洞，并且对黑洞如何进行潮汐瓦解的过程有更清楚的了解。
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