Cosmic Scale
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被撕碎的恒星

黑洞如何撕碎靠得太近的恒星，并照亮一个星系的中心

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一颗恒星靠近了

几乎每个大星系的中心都有一个巨型黑洞。银河系的黑洞人马座 A* 的质量是太阳的四百万倍；这一个是一百万倍，在被发现撕碎恒星的黑洞中很典型。恒星在这类黑洞周围沿着各自的轨道成群运行，偶尔两颗恒星擦身而过，其中一颗就被甩到一条直扑黑洞的路径上。

就其质量而言，黑洞本身很小。它的事件视界，也就是连光都无法从内部逃出的那个面，宽度约为太阳的四倍。它的引力弯曲了身后恒星的光，所以它的黑色阴影周围的天空看上去是扭曲的。

虚线圆环就是潮汐半径。在它之外，恒星自身的引力能让它保持完整；在它之内，什么都做不到。

被拉长

黑洞对恒星近侧的拉力比对远侧更强。接近潮汐半径时，这个差值，也就是潮汐力，变得和恒星自身的引力一样强，恒星被拉长。

潮汐并非黑洞独有。月球在地球的海洋上掀起潮汐，是因为它对朝向它的那一侧地球拉得更用力。这里的拉力随距离变化得极其剧烈，仅仅一颗恒星的宽度所造成的差值，就超过了恒星自身的引力。

天文学家把这称为“面条化”，因为任何落进去的东西都会被拉得又细又长。对于一个百万太阳质量的黑洞，像太阳这样的恒星在距离黑洞约 7000 万千米处到达这一点：这是地日距离的一半，仍远在视界之外。

这一切发生得很快。恒星以每秒数万千米的速度飞驰，从潮汐半径到最近点只需要约 18 分钟。

被撕碎

什么都没有爆炸。恒星只是不再是一个整体：它的气体保持原来的速度，但每一部分与黑洞的距离都略有不同，因此各自沿着略有不同的轨道运动。掠过黑洞时被压扁，随后又被拉开，恒星变成了一条细长的气流。

原本离黑洞较近的一侧速度略慢，逃不掉，从此被黑洞束缚。较远的一侧速度略快，再也不会回来。这一点小小的差别决定了之后的一切。

计算机模拟显示，整颗恒星在几个小时内就被拆散。

气体之河

几天之内，气流就比地日距离还长。它被束缚的那一半离黑洞较近，正在减速，之后会落回；另一半则一去不返。

气流之所以保持细长，是因为它自身的引力从两侧把它拢住，即使它被拉长到恒星长度的几千倍。气体在扩散中冷却，所以真实的气流很暗。望远镜看不到它，但模拟可以细致地追踪它。

气体如何分开，取决于每一部分带走的能量：在恒星中离黑洞越近，被束缚得越紧。束缚最紧的气体所在的轨道，会把它带到约 46 倍地日距离远，然后再折返。

虚线圆环是按同一比例绘制的地球轨道。

一半飞走了

逃逸的气体把恒星一半的质量带进了星系。它将以每秒数千千米的速度在恒星之间漂流数百万年：一道曾经是太阳的细细的气体弧。

被束缚的气体沿着绕黑洞的狭长轨道运行，就像绕太阳运行的彗星。离黑洞最近的气体轨道最短，最先回来；其余的在几个月乃至几年里陆续回来，每次越来越少。

虚线圆环是按比例绘制的海王星轨道。气流很快就延伸到远远超出整个行星系统的范围。

回归

在牛顿的引力中，轨道会首尾相接地闭合。靠近黑洞时则不然：爱因斯坦的理论让每条轨道都多转一点，就像水星绕太阳的轨道那样，只是在这里每转一圈偏转约 23 度，而不是一丝一毫。

于是，刚绕过黑洞的气体沿着一条略有不同的路线再次飞出，在约 16 倍地日距离远的地方撞上仍在落入的气流。碰撞加热了气体并夺去它的速度，它便一点点地沉降成一个绕着黑洞旋转的炽热盘。

回归的气体究竟如何变成一个盘，仍在借助天文学中一些规模最大的模拟进行研究。

耀发

望远镜捕捉到的这类耀发，是一个原本平静的星系正中心突然变亮。2019 年在 2.15 亿光年外的一个星系中发现的 AT2019qiz 是迄今最近的一例；这里耀发的亮度和温度采用它的实测值，但时间进程采用最简单的模型。

它的可见光来自黑洞周围一团炽热的气体云，宽度是地球轨道的几十倍，由耀发抛出并从内部被照亮。更靠内的盘本身，主要以紫外线和 X 射线发光。

在黑洞附近，它的引力弯曲了盘的光，所以盘的远侧会出现在黑色阴影的上方和下方。

逐渐暗淡

每天回来的气体越来越少，所以耀发如图表所示逐渐暗淡。几年之内它就几乎消失，黑洞重归平静。

回归气体减少的方式，源自气流能量的分配方式：速率按时间的负三分之五次方下降。许多耀发的光正是这样变暗的，这是它们确实是被撕碎的恒星的最清楚证据之一。

大约一半的恒星会落回。其中一部分被吞下，还有很多又被热量吹走。黑洞只增加了一个太阳质量的零头：对一个重一百万倍的天体来说几乎没有变化。

在像我们这样的星系中，这种事件大约每 1 万到 10 万年发生一次。由于可观测的星系非常多，巡天望远镜如今每年能发现几十起，而智利的薇拉·鲁宾天文台预计将发现数千起。

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