恒星自转揭秘黑洞“暗淡之谜”
——当恒星旋转起来，黑洞的“心跳”悄然变弱
快速恒星自转或许可以解释为什么某些恒星在与超大质量黑洞反复近距离接触时会产生越来越微弱的耀斑。
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大多数星系的中心都存在一个超大质量黑洞，这种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。
有些恒星能够存活下来。当一次近距离经过剥去恒星的一部分后，其剩余的核心可以继续绕黑洞运行，并在数月或数年后返回再次相遇。每次经过都会剥离更多物质并产生另一次光爆发，形成天文学家所说的重复部分潮汐瓦解事件（rpTDE）。
宽视场时域巡天通过反复扫描天空的大片区域以寻找亮度变化，使得追踪同一恒星与黑洞在多次相遇时的相互作用成为可能。但有几个系统给天文学家带来了一个持续存在的问题：它们并非每次都产生相似的耀斑，而是变得越来越暗。
在目前已确定的大约10个重复系统中，有四个呈现出这种衰减模式。现有的理论模型一直难以重现这一模式。
雪城大学的天体物理学家现在提出，幸存恒星的一种特性或许能提供缺失的解释：即该恒星在首次近距离接近黑洞之前的自转速度。
这项发表在《天体物理学杂志》上的研究由博士生Ananya Bandopadhyay牵头，她与博士后研究员Benjamin Amend、物理学系副教授Eric Coughlin以及其他机构的同事合作完成。
为什么一些恒星耀斑会消退？
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时。
由此产生的碎片会落回黑洞，或者说吸积到黑洞上。当这些物质失去能量时，就会发出可以持续数天到数月的光。
黑洞本身不发光，因此这些暂时存在的恒星碎片为天文学家提供了一种间接研究原本不可见天体的方法。
图片来源：美国国家航空航天局 S. Grzedzik (约翰霍普金斯大学) J. Guillochon (加州大学圣克鲁兹分校)
一颗距离黑洞稍远一些穿过的恒星，在仍损失部分质量的情况下可以逃脱彻底毁灭的命运，从而产生一次部分潮汐瓦解事件。如果幸存的恒星核心仍受黑洞引力束缚，它可以反复返回，在间隔数月至数年的近距离接近时不断抛射出更多物质。
每次经过时损失的物质数量部分取决于恒星的内部结构。班多帕德耶将低质量恒星比作蓬松的蛋白酥，这使得它对黑洞的潮汐力越来越敏感。相比之下，高质量恒星的结构更集中于中心，呈洋葱状，它可以失去外层，而其致密的中心区域相对不受影响。因此，在连续的相遇过程中，它会逐渐损失更少的物质。
这种区别有助于解释为什么不同的重复潮汐瓦解事件（rpTDEs）表现不同，但它并未解决耀斑消退的问题。似乎有理由认为，从恒星剥离的物质越少，产生的耀斑就越暗淡，但先前的流体动力学模拟结果却并非如此。即使从一次遭遇事件到下一次遭遇事件中损失的物质数量减少了，模拟出的耀斑亮度仍大致保持不变。
“这件事让我们困惑了两年。” —— Ananya Bandopadhyay
恒星自转解决了不匹配问题
他们之前的研究揭示了黑洞潮汐力的另一个效应。除了从恒星剥离物质外，这些潮汐力还会施加扭矩，导致恒星在每次近距离接触时旋转得更快。因此，尽管落回黑洞的物质减少了，但物质返回的时间更短，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。为了让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迪亚所说的新要素——一颗在遭遇黑洞之前就已经快速旋转的恒星。
这项新研究发现，具有显著初始自转的恒星在每次经过时不会经历同样大幅度的自转加速。没有这种额外的自转加速，被剥离物质落回黑洞所需的时间就会保持相对稳定。
其结果与早期模型不同。如果在回落时间尺度保持相似的情况下，移除的物质逐渐减少，那么物质返回黑洞的峰值速率就会下降。因此，每次连续的遭遇所预测的耀斑可能会变得更暗。
双星分裂如何解释这种自旋？
这一结果引出了另一个问题：已经陷入其中一个这样的系统的恒星为什么会旋转得如此之快呢？
“要将一颗恒星如此紧密地‘束缚’在超大质量黑洞周围，使其在几个月内绕黑洞运行，这也极其困难，然而在rpTDEs中，它们似乎确实做到了这一点。” —— Eric Coughlin
所谓的希尔斯机制有可能解释恒星的快速自转和异常紧密的轨道。在这种场景下，两颗彼此紧密绕转的恒星靠近一个超大质量黑洞。黑洞将双星拆散，弹出其中一颗恒星，同时通过引力捕获另一颗。
足够近的双星系统中的恒星也可能发生潮汐锁定，这意味着每颗恒星绕自身轴旋转的速率与它们彼此绕转的速率相同。更紧密的双星系统轨道周期更短，因此这类系统中被潮汐锁定的恒星旋转得更快。
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周转潮汐瓦解事件（rpTDEs）中所观测到的短轨道周期被捕获，原始的双星对需要靠得极其近。同样的这种状态在那颗被捕获的恒星首次发生部分瓦解之前，可能会使它快速旋转。
Ananya的研究表明，这些特性中的每一个都可以用同一个潜在现象来解释：双星系统的潮汐破坏和其中一颗恒星的捕获，Coughlin说。从理论角度来看，这是我们理解这些系统中所涉及的物理机制的一大进步。
考夫林指出，希尔斯机制可能也塑造了其他恒星群。在银河系中心超大质量黑洞人马座A周围运行的一些恒星，可能也是通过希尔斯俘获被安置在那里的。因此，这些发现可能有助于研究人员了解他所说的我们自己的宇宙后院中恒星的一些特性。
参考文献：10.3847/1538-4357/ae8f31
相关知识
恒星是由炽热气体组成、能自行发光的球状或类球状天体。它们质量巨大，内部进行着核聚变反应，释放出惊人的能量和光。太阳就是我们太阳系的恒星，为地球提供光和热。夜空中闪烁的繁星多数也是恒星，在宇宙中广泛分布，是构成星系的重要成员。
BY: Olivia Hall， Syracuse University
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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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