破碎的恒星揭示了黑洞如何点燃万亿次太阳耀斑

艺术家描绘了一个超大质量黑洞撕裂恒星，大约一半的恒星碎片被抛回太空，其余则形成一个发光的吸积盘环绕黑洞。图片来源：uux.cn/DESY，科学传播实验室

（神秘的地球uux.cn）据雪城大学（约翰·H·蒂贝茨）：超大质量黑洞是宇宙中最神秘的天体之一。它们通常质量是太阳质量的数百万甚至数十亿倍，位于大多数大型星系的中心。银河系的核心是人马座A*，这是我们银河系的超大质量黑洞，质量约为四百万颗太阳。但这些黑洞本身不发光，因此天文学家只能通过它们对附近恒星和气体的影响间接探测到它们。

在《天体物理学快报》发表的一项研究中，雪城大学文理学院物理学助理教授埃里克·考夫林及其同事阐明了当恒星靠近这些黑洞并被撕裂时会发生什么。

被超大质量黑洞“吞噬”的恒星不会一口气消失。相反，黑洞的引力将恒星撕成一条细长的碎片流。随着时间推移，碎片流环绕黑洞——这一效应最终源自爱因斯坦广义相对论;据牛顿说，引力不会产生这种效应。当这股旋转流的部分相互碰撞时，会释放能量爆发，随后慢慢吸积（螺旋进入）黑洞。这两种效应——最初的碰撞和随后的吸积——都会产生如此大量的辐射，以至于它们一度盖过发生的整个银河系（其光量相当于大约一万亿个太阳的光）。

天文学家称这些事件为潮汐扰动事件（TDEs）。TDE是研究其他星系中像人马座A*这样的超大质量黑洞的少数途径之一。

考夫林说：“我们可以研究潮汐扰动事件，以了解更多隐藏在视线之外的黑洞。”

多年来，TDE一直吸引着研究人员，因为每一次这些巨大的耀斑都像指纹一样。通过测量耀斑的上升、峰值和消退，科学家可以推断产生耀斑的黑洞特性，包括其质量，甚至可能的自转。但这些耀斑如何形成的细节仍难以确定，部分原因是该过程难以准确模拟。

对建模的碎屑粒子进行三维渲染，突出了由雪城大学物理教授Eric Coughlin在内的研究团队描述的碎屑流的自交点。图片来源：uux.cn让·法弗，CSCS;卢西奥·迈耶和诺亚·库布利，苏黎世大学

这正是新型高分辨率仿真正在改变局面的地方。苏黎世大学由卢西奥·迈耶领导的团队（包括考夫林）最近使用了一种称为平滑粒子流体动力学的方法，该方法将恒星分解为相互流体动力学相互作用的“粒子”（即根据纳维-斯托克斯方程——与控制水流通过管道的基本方程相同）。

他们的研究使用了数百亿粒子，前所未有地详细模拟了受扰动恒星的气体。结果是对恒星被撕裂后发生事情的更优视角。碎片不是混乱地散开，而是形成一条狭窄、连贯的流，沿着可预测的路径绕黑洞而行，最终撞击自身。

他们的发现支持了一个长期以来的理论预测。早期模拟常因分辨率不足以捕捉如此细致的细节而误解该流结构，导致恒星碎片“喷洒”，并出现意外的高流体力学耗散水平。随着粒子数量大幅增加，并且通过强大超级计算机上图形处理单元（GPU）的利用，碎片的形状变得更加清晰可见。

但新模型还揭示了另一点。

超大质量黑洞和恒星轨道的三个性质会影响特定TDE的结果：黑洞的质量、其“自转速度”以及自转相对于入射碎片轨道面的方向。它们共同可能决定耀斑的开始时间、亮度以及持续时间。

如果黑洞在旋转，它会引发周围时空的额外变化，相较于非旋转黑洞，产生一种称为节点进动效应的现象。这种效应可能会使碎片流偏离其原始平面，意味着流在绕行一圈后可能再次偏离自身，最终碰撞。在某些情况下，耀斑可能通过绕黑洞的多个环路延迟。

这一复杂性或许有助于解释TDE研究中一个持久的谜团。没有两个事件看起来完全相同。有些迅速崛起，也迅速消逝。其他故事则展开得更慢。有些更亮，有些暗淡。有些动物的行为至今仍难以归类。虽然黑洞质量的差异可能解释了部分差异，但这些新模拟表明，黑洞自旋可能是造成这种多样性的关键原因之一。

TDE将看不见的物体转化为可读信号。一颗恒星被撕裂，碎片碰撞，光芒出现，之前隐藏的黑洞被揭示出来。借助更先进的模拟和更强大的望远镜，天文学家们正比以往任何时候都更清楚地识别这些信号。

Noah Kubli 等，《潮汐破坏事件与SPH-EXA：解决潮流回归》，《天体物理学杂志快报》（2026）。DOI：10.3847/2041-8213/ae4748