恒星自转或为黑洞重复耀斑渐暗之谜提供答案

引言：重复性耀斑的渐暗之谜

在大多数星系的中心，都潜伏着一个超大质量黑洞，其质量可达太阳的数百万至数十亿倍，拥有宇宙中最极端的引力。当一颗恒星过于靠近这样的黑洞时，并非总是被完全摧毁。有些恒星能够幸存下来，在每次近距离掠过黑洞时，都会产生一次新的耀斑。这些被称为“重复性部分潮汐瓦解事件”的现象，为天文学家提供了反复观察同一颗恒星与黑洞相互作用的宝贵机会。然而，研究人员注意到一个令人困惑的模式：这些连续发生的耀斑会逐渐变暗。多年来，理论模型一直无法解释这一现象。

恒星与黑洞的相遇

在典型的潮汐瓦解事件中，黑洞的潮汐力——即恒星两端所受引力的差异——会将恒星完全撕裂。被撕裂的恒星碎片在落向黑洞的过程中释放能量，以光的形式在数天到数月内辐射出来。虽然黑洞本身不发光，但潮汐瓦解事件提供了短暂的燃料，照亮了周围区域，使天文学家能够间接研究这些原本不可见的天体。

如果一颗恒星绕黑洞运行的轨道不够近，以至于不会被完全撕裂，它只会损失一部分质量，这就形成了部分潮汐瓦解事件。在重复性部分潮汐瓦解事件中，幸存的核心会继续绕黑洞运行，每次近距离掠过都会损失更多物质，间隔从几个月到几年不等。

渐暗之谜的探索

恒星在重复遭遇中损失多少物质，部分取决于其内部结构。雪城大学的博士生阿南亚·班多帕迪亚将低质量恒星比作蓬松的蛋白酥，容易受到黑洞潮汐力的影响。相比之下，质量更大的恒星具有更集中的、洋葱般的结构，可以剥离外层，而致密的核心相对不受影响，随时间推移损失的质量逐渐减少。这些差异有助于解释为什么不同的重复性部分潮汐瓦解事件表现不同。

但有一个模式尤其让研究人员困惑。在迄今发现的约10个重复性系统中，有4个产生的耀斑逐渐变暗。质量损失减少似乎是一个明显的解释。然而，先前的流体动力学模拟显示，令人惊讶的是，即使每次遭遇损失的物质减少，预测的耀斑亮度却大致保持不变。

恒星自转的关键作用

班多帕迪亚表示：“我们对这个谜题困惑了两年。”他们之前的工作揭示了黑洞潮汐力的另一个效应：除了剥离恒星物质外，潮汐力还会施加扭矩，导致恒星在每次近距离掠过时自转加快。结果，尽管落回黑洞的物质减少了，但这些物质在更短的时间内返回，这有助于保持预测的耀斑亮度大致不变。

为了重现天文学家实际观测到的渐暗现象，研究人员需要班多帕迪亚所说的“新成分”——一颗在首次遭遇黑洞之前就已经快速自转的恒星。这项新研究发现，这种初始自转阻止了恒星在每次通过时被显著加速。没有这种额外的加速，被剥离物质落回的时间尺度保持相对恒定。随着恒星每次遭遇损失的物质减少，峰值落回率——以及耀斑的预测亮度——终于可以下降。

追溯恒星的过去

但为什么恒星会已经如此快速地自转呢？雪城大学的埃里克·考夫林教授指出：“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，也是极其困难的，然而在重复性部分潮汐瓦解事件中，它们似乎确实如此。”所谓的“希尔斯机制”可能同时解释这两个问题。

在这种情景下，一对紧密绕转的恒星经过一个超大质量黑洞附近，黑洞将这对双星撕裂，抛出一颗恒星，并捕获另一颗。在紧密的双星系统中，恒星可能被潮汐锁定，导致每颗恒星的自转速率与双星相互绕转的速率相同。双星越紧密，轨道周期越短，被潮汐锁定的恒星自转就越快。能够使被捕获的恒星在重复性部分潮汐瓦解事件中观测到的短轨道上运行的双星，必须极其紧密——这也使得被潮汐锁定的恒星在被捕获前就快速自转。

考夫林说：“阿南亚的工作表明，这些奇特现象都可以用同一个基本现象来解释：双星系统的潮汐瓦解和其中一颗恒星的捕获。从理论角度来看，这是我们对这些系统中物理机制理解的一大进步。”

更广阔的意义

放眼更广，考夫林指出，希尔斯捕获可能也产生了绕银河系中心超大质量黑洞人马座A*运行的一些恒星。因此，这些新发现可能有助于解释我们“宇宙后院”中某些恒星的性质。

这项研究由雪城大学领导，发表在《天体物理学杂志》上。研究团队包括博士生阿南亚·班多帕迪亚、博士后研究员本杰明·阿门德和副教授埃里克·考夫林，以及其他机构的同事。他们的工作不仅解释了重复性部分潮汐瓦解事件中耀斑渐暗的谜题，还为理解恒星与超大质量黑洞的复杂相互作用提供了新的视角。

总结

重复性部分潮汐瓦解事件中耀斑逐渐变暗的现象困扰了天文学家多年。
雪城大学团队通过模拟发现，恒星在首次遭遇黑洞前的快速自转是关键因素。
这种快速自转可能源于双星系统被黑洞撕裂前的潮汐锁定。
初始自转阻止了恒星在每次通过时被进一步加速，使物质落回时间尺度保持恒定，从而允许耀斑亮度随质量损失减少而下降。
该研究为理解恒星与超大质量黑洞的相互作用提供了重要理论进展。

原标题：Stellar spin may explain why repeated black hole flares grow dimmer。来源：phys.org。

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