超大质量黑洞的近距离接触

　　在大多数大型星系的中心生活着一个超大质量黑洞(SMBH)。银河系有人马座A*，一颗大部分时间处于休眠状态的SMBH，其质量约为太阳的430万倍。但是如果你更深入地观察宇宙，会发现有更大的SMBHs，其质量可以达到我们太阳质量的数百亿倍。

　　黑洞通过引力消耗其附近的物体(包括恒星)而增大质量。对于不幸被SMBHs吞噬的恒星来说，这是一个灾难性和破坏性的结局，但对于现在有机会探索星系休眠中心的科学家来说是幸运的。

　　照亮前方的路

　　顾名思义，黑洞本身不发光，这使得研究人员很难观察到它们。但是，当一颗恒星足够接近超大质量黑洞时，它可能会被黑洞巨大的潮汐引力场通过相互作用摧毁，这实际上是地球与月球潮汐相互作用的一个极端例子。一些被潮汐破坏的物质落入黑洞，形成了一个非常热、非常亮的物质盘。这一过程被称为潮汐扰乱事件(TDE)，它提供了一个可以用强大的望远镜观察并由科学家分析的光源。

　　TDEs相对罕见——预计在一个给定的星系中大约每10，000到100，000年发生一次。每年通常会探测到1到24个TDE，但随着像目前正在智利建造的Vera C. Rubin天文台这样的新技术的出现，预计未来几年将会观测到数百个TDE。这些强大的天文台扫描夜空中上升和下降的光源，从而“调查”宇宙中随时间变化的天文现象。利用这些调查，天体物理学家可以对TDEs进行研究，以估计SMBHs及其破坏的恒星的特性。研究人员试图了解的事情之一是恒星和SMBH的质量。虽然一种型号经常使用，但最近开发了一种新型号，目前正在测试中。

　　分析模型的出现

　　吸积率，即恒星的恒星物质在TDE过程中落回SMBH的速度，揭示了恒星和smbh的重要特征，如它们的质量。计算这一点最准确的方法是进行数值流体动力学模拟，使用计算机分析TDE降雨到黑洞时被潮汐破坏的物质的气体动力学。虽然精确，但这种技术很昂贵，研究人员可能需要几周到几个月的时间来计算一个TDE。

　　近几十年来，物理学家设计了分析模型来计算吸积率。这些模型为理解破裂恒星和黑洞的特性提供了一种高效且具有成本效益的方法，但其近似值的准确性仍存在不确定性。

　　目前存在一些分析模型，其中最著名的可能是“冻结”近似法;这个名字来源于这样一个事实，即落到黑洞上的碎片的轨道周期是在离黑洞特定距离(称为潮汐半径)处确定的，或者说是“固定的”。该模型由莱西、汤斯和霍伦巴赫于1982年提出，随后由洛达托、金和普林格尔在2009年进行了扩展。该模型表明，大质量恒星的吸积率在一个时间尺度内达到峰值，根据恒星的质量，时间尺度可以从1年到10年不等。这意味着，如果你在看夜空，一个源最初可能会变亮，达到峰值，然后在几年的时间尺度内随着时间的推移而减弱。

　　新的前进方向

　　锡拉丘兹大学物理学教授埃里克·库格林和利兹大学理论天体物理学副教授克里斯·尼克森在2022年提出了一个新模型，简称为CN22模型，该模型将TDEs的峰值时间尺度确定为恒星属性和黑洞质量的函数。通过这个新模型，他们恢复了TDE峰的时间尺度和吸积率，这与一些流体动力学模拟的结果一致，但这个模型更广泛的含义以及它对更广泛的恒星类型的预测，包括恒星的质量和年龄，还没有完全阐明。

　　为了在更广泛的背景下更好地描述和理解这一模型的预测，由物理系博士生Ananya Bandopadhyay领导的雪城大学研究小组进行了一项研究，以分析CN22模型的含义，并针对不同类型的恒星和各种质量的SMBHs进行测试。该团队的研究成果发表在天体物理学杂志快报【DB1】。除了第一作者班多帕德海以外，合著者还包括库格林、尼克森、物理系的本科生和研究生以及锡拉丘兹市学区(SCSD)的学生。SCSD大学学生的参与是通过锡拉丘兹大学物理学研究(SURPh)项目实现的，该项目是一项为期六周的带薪实习项目，当地高中生可以与文理学院物理系的师生一起从事前沿研究。

　　在2022年和2023年的夏天，SCSD大学的学生与雪城大学的物理学家合作进行计算项目，测试CN22模型的有效性。他们使用一种名为“恒星天体物理学实验模块”的恒星演化代码来研究恒星的演化。利用这些轮廓，他们然后比较了“冻结”近似和CN22模型对一系列恒星质量和年龄的吸积率预测。他们还对超大质量黑洞对类太阳恒星的破坏进行了数值流体动力学模拟，以将模型预测与数值获得的吸积率进行比较。

　　他们的发现

　　根据Bandopadhyay的说法，研究小组发现CN22模型与流体动力学模拟非常吻合。此外，也许是最深刻的发现是，TDE中吸积率的峰值时间尺度对被摧毁的恒星的属性(质量和年龄)非常不敏感，像太阳这样的恒星被质量为速腾A*的黑洞摧毁大约需要50天。

　　关于这一结果，最引人注目和令人惊讶的是“冻结”模型做出了一个非常不同的预测。根据“冻结”模型，同一个TDE将产生一个在两年时间尺度内达到峰值的吸积率，这与流体动力学模拟的结果明显不符。

　　Bandopadhyay说:“这颠覆了以前对TDEs工作方式以及完全摧毁一颗恒星可能产生何种瞬态的看法。”“通过确认CN22模型的准确性，我们证明了这种分析方法可以大大加快推断具有不同质量和年龄的恒星破裂的可观测特性。”

　　他们的研究还解决了之前的另一个误解。通过澄清完整的TDEs不能超过一个月的时间尺度，他们推翻了早期的信念，即它们可以用来解释在多年跨度内达到峰值和衰减的长期光变曲线。此外，库格林指出，这篇论文验证了峰值回落率实际上与破裂恒星的质量和年龄无关，几乎完全由SMBH的质量决定，这是CN22等模型可以帮助研究人员限制smbh质量的关键指标。

　　“如果你测量上升时间，你可以直接观察到超大质量黑洞的特性，这是TDE物理学的圣杯——能够使用TDEs来说明黑洞的一些情况，”库格林说。

　　美国天文学会邀请Bandopadhyay在该学会的243年会上介绍该团队的发现，这是对该论文在该领域影响力的认可注册营养师2024年1月11日在新奥尔良开会。

　　展望未来，研究小组表示，通过确认CN22模型的准确性，这项研究为研究人员提供了一个窗口，可以对TDEs进行可观测的预测，可以根据现有和即将进行的探测进行测试。通过合作和独创性，雪城大学的研究人员正在揭示黑洞物理学的细节，并帮助探索遥远宇宙中曾经无法追踪的领域。

Materials provided by Syracuse University. Original written by Dan Bernardi. Note: Content may be edited for style and length.Ananya Bandopadhyay, Julia Fancher, Aluel Athian, Valentino Indelicato, Sarah Kapalanga, Angela Kumah, Daniel A. Paradiso, Matthew Todd, Eric R. Coughlin, C. J. Nixon. The Peak of the Fallback Rate from Tidal Disruption Events: Dependence on Stellar Type. The Astrophysical Journal Letters, 2024; 961 (1): L2 DOI: 10.3847/2041-8213/ad0388