新闻网讯 近日，《天体物理学快报》（The Astrophysical Journal Letters）在线刊发物理学院天文系吴庆文教授课题组题为“Simulations of Tidal Disruption of Supernova in Galaxy Nuclear Region: A Novel Model for Ambiguous Nuclear Transients”的研究论文，提出了超新星点亮超大质量黑洞的新图景。物理学院博士生雷享礼为论文第一作者，合作者还包括雷卫华教授及上海天文台李亚平研究员。

星系核区环境研究对理解星系与中心黑洞演化、强引力场精确刻画等都具有重要科学价值。在时域天文时代，已经观测到了大量黑洞潮汐瓦解恒星事件，即一颗恒星过于靠近星系中心的超大质量黑洞时，会被其强大的潮汐力撕碎，碎片逐渐坠入黑洞并释放出极其强烈的电磁辐射。近两年来，天文学家发现了几例更为极端的星系核区爆发现象，其光度比普通黑洞潮汐瓦解事件高出百倍以上（超过10⁴⁶尔格/秒，即太阳光度的十万亿倍以上），且持续时间长达数年，其对应星系中心黑洞质量高达数亿倍太阳质量，超过了经典瓦解恒星的极限黑洞质量。

研究团队近年来系统研究了星系核区恒星与超大质量黑洞活动相互关系，发现恒星可以在致密气体环境中迅速增长并向内迁移。对于具有弱活动性的超大质量黑洞而言（即低光度活动星系），黑洞吸积盘外区是经典的高密度冷盘，而内区则转变为低密度高温等离子体盘（即径移主导吸积流），当恒星迁移到内区时会迅速停止增长，并诱发核心坍缩，导致超新星爆发。中心黑洞的强大引力会捕获超新星抛射出的大部分物质，并将其拉伸成一条条延展的气流，这些气流相互碰撞、耗散角动量，最终在超大质量黑洞周围形成一个新的吸积盘，进而产生持续数年的高光度爆发（图1）。

图1）超大质量黑洞周围超新星爆发并被中心黑洞俘获导致更剧烈爆发过程。

研究团队对这一过程进行了流体动力学数值模拟，重现了超新星抛射物在黑洞附近的演化过程：1）超新星爆发将大量恒星物质抛出；2）超新星抛射物被黑洞捕获并形成弥散的等离子体流；3）等离子体流之间发生强烈的自相交碰撞，有效耗散了角动量，使气体逐渐向中心沉降、圆化，重新形成一个围绕黑洞的吸积盘，从而产生极强电磁辐射；4）随着物质最终落入黑洞或被吹散，吸积率下降，光度缓慢下降直至熄灭（图2）。模拟中得到该过程的峰值光度可超过10⁴⁶ 尔格/秒，爆发可持续数年甚至数十年，与观测完美吻合。同时，这些极端爆发事件中“过重黑洞”与宿主星系具有明显活动性均与该模型预言吻合。

图2.数值模拟得到的潮汐瓦解超新星的流体动力学演化过程及其吸积率演化

星系中心黑洞周围极端环境中恒星演化显著不同于孤立恒星演化，可以导致极其丰富的多信使现象，比如核区元素快速增丰、黑洞潮汐瓦解事件、极端质量比旋近系统（空间引力波）、大质量恒星级双黑洞（地面引力波）、核区超新星及黑洞天体爆发导致的电磁爆发及中微子过程等，这些过程为理解超大质量黑洞及星系演化提供全新探针。近几年，吴庆文教授团队针对宇宙黑洞演化和星系核心环境进行了系统研究。

论文链接

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae25f3/pdf