天文學(xué)界再一次被黑洞震撼。

就在本月，《Nature Astronomy》刊登了一項(xiàng)由加州理工學(xué)院（Caltech）等機(jī)構(gòu)主導(dǎo)的研究，報(bào)告了人類觀測(cè)史上最強(qiáng)烈的黑洞爆發(fā)事件。這場名為 J224554.84+374326.5 的耀斑，在峰值時(shí)的亮度超過太陽的10 萬億倍，總能量釋放相當(dāng)于把一整個(gè)太陽的質(zhì)量完全轉(zhuǎn)化為光。研究者稱，它可能是一個(gè)超大質(zhì)量黑洞吞噬一顆超過 30 倍太陽質(zhì)量恒星時(shí)產(chǎn)生的極端潮汐撕裂事件（tidal disruption event, TDE）。

（Caltech）

這場觀察始于 2018 年春。當(dāng)時(shí)，研究人員在運(yùn)行“加州理工 Zwicky 瞬變天文臺(tái)”與“Catalina 實(shí)時(shí)瞬變巡天”時(shí)，捕捉到一個(gè)遙遠(yuǎn)星系中心突然變亮的點(diǎn)源。它在數(shù)周內(nèi)亮度暴漲了約 40 倍，隨后在漫長的六年間緩慢衰減。

最初，沒人意識(shí)到這是一個(gè)宇宙級(jí)爆發(fā)，甚至有研究人員懷疑這只是普通的活動(dòng)星系核（AGN）亮度波動(dòng)。直到 2023 年，天文學(xué)家再次用夏威夷凱克（Keck）望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到該源時(shí)，發(fā)現(xiàn)它在五年后依然明亮異常，這才意識(shí)到他們可能見證了某種前所未有的能量釋放。

經(jīng)光譜測(cè)定，J2245+3743 位于紅移z=2.554的遙遠(yuǎn)宇宙中，距離地球約100 億光年。也就是說，這場災(zāi)難發(fā)生在宇宙形成的極早期。以如此遙遠(yuǎn)的距離仍能如此明亮，意味著其真實(shí)能量之大幾乎超出了天文學(xué)的想象范圍。研究團(tuán)隊(duì)計(jì)算，其峰值光度約為 4 × 10?? erg/s，總輻射能量高達(dá)10?? erg——約為已知最強(qiáng)活動(dòng)星系閃光的 30 倍。簡單換算，這相當(dāng)于太陽在整個(gè)壽命中釋放能量的上千倍在短短幾個(gè)月內(nèi)爆發(fā)殆盡。

（Nature Astronomy）

但如此耀眼的火光究竟從何而來？研究者逐一排除了多種可能。

首先，它不是一場普通的超新星爆炸。即便是理論上最極端的“對(duì)不穩(wěn)定超新星”（pair-instability supernova），其能量也只能達(dá)到 1053 erg 的量級(jí)，遠(yuǎn)不足以解釋此次事件。其次，也不存在顯著的伽瑪射線或 X 射線信號(hào)，因此否定了“伽瑪暴”或黑洞噴流的解釋。而引力透鏡效應(yīng)——即光線被中間天體放大的假象——也被高分辨率成像排除：圖像中沒有出現(xiàn)多重像或透鏡星系的跡象。

最終，最符合數(shù)據(jù)的模型，是一顆質(zhì)量在 30 至 100 倍太陽之間的恒星，在活動(dòng)星系盤中被超大質(zhì)量黑洞撕裂并吞噬。

這場災(zāi)變的核心是一個(gè)約3×10? 倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞（supermassive black hole, SMBH），其周圍有一個(gè)熾熱的吸積盤。當(dāng)恒星靠近黑洞的“潮汐半徑”（tidal radius）時(shí)，引力差異將其拉得粉碎，恒星物質(zhì)被撕成細(xì)長的流體流，部分逃逸，部分落入黑洞周圍形成新的吸積流盤。對(duì)于這種“潮汐撕裂事件”，理論預(yù)言亮度衰減應(yīng)遵循 t^(-5/3) 的規(guī)律，而在此次觀測(cè)中，光度下降更為緩慢，符合高質(zhì)量恒星在吸積盤內(nèi)被撕裂時(shí)的模型：星體碎片與原有盤物質(zhì)強(qiáng)烈相互作用，持續(xù)燃燒發(fā)光，使得光衰過程被“拖長”，像是一場宇宙尺度的燃燒。

值得注意的是，事件發(fā)生在一個(gè)活躍星系核中，而絕大多數(shù)此前發(fā)現(xiàn)的潮汐撕裂事件都出現(xiàn)在“休眠”星系。研究者因此認(rèn)為，這是少數(shù)幾次觀測(cè)到的“活動(dòng)星系潮汐事件”（AGN-TDE）之一。這種事件發(fā)生的幾率本就極低。團(tuán)隊(duì)估算，像 J2245+3743 這樣極端的耀斑，平均每立方吉秒差距（Gpc3）每年只會(huì)發(fā)生約 3×10?? 次，遠(yuǎn)低于普通 TDE 的發(fā)生概率。換句話說，在整個(gè)可觀測(cè)宇宙范圍內(nèi)，這樣的爆發(fā)事件一年內(nèi)也觀測(cè)不到幾起。

研究還揭示了此次事件的獨(dú)特細(xì)節(jié)。光學(xué)與紅外觀測(cè)表明，爆發(fā)過程中幾乎沒有時(shí)間延遲——可見光與中紅外峰值幾乎同步出現(xiàn)，這意味著光不是由塵埃反射回來的“回聲”，而是直接來自事件本身。與此同時(shí)，未檢測(cè)到同步的 X 射線或射電信號(hào)，也未發(fā)現(xiàn)中微子伴隨，這與以往一些噴流主導(dǎo)的 TDE 不同。研究人員由此推斷，這次事件并未產(chǎn)生持久或強(qiáng)烈的相對(duì)論噴流，而是一個(gè)相對(duì)“裸露”的潮汐吸積爆發(fā)。

對(duì)光譜的進(jìn)一步分析揭示，J2245+3743 的輻射帶有典型活動(dòng)星系特征：寬廣的氫巴耳末線（Hα、Hβ）與碳、鎂等高電離發(fā)射線清晰可辨，部分譜線呈現(xiàn)出“P-Cygni”吸收特征，顯示存在高速外流。奇特的是，氫β線強(qiáng)度被壓制，研究團(tuán)隊(duì)推測(cè)可能是密集氣體外流造成的吸收，這種特征在此前一些潮汐事件中也曾出現(xiàn)。所有跡象都指向一個(gè)結(jié)論：這顆恒星是在黑洞吸積盤的平面上被撕裂，物質(zhì)與盤發(fā)生持續(xù)相互作用，從而延長了光變的時(shí)間尺度并增強(qiáng)了輻射效率。

在如此巨大的能量轉(zhuǎn)換率下，約 1 個(gè)太陽質(zhì)量的物質(zhì)被完全轉(zhuǎn)化為輻射能量——其效率高達(dá)愛因斯坦著名公式 E=mc2 的 10%。這也解釋了為何這場爆發(fā)能比已知的任何 AGN 耀斑都更耀眼。

令人著迷的是，理論早已預(yù)測(cè)在活動(dòng)星系吸積盤中可能孕育大質(zhì)量恒星。濃密氣體環(huán)境能促進(jìn)快速恒星形成，并令這些恒星在數(shù)百萬年內(nèi)長到幾十甚至上百倍太陽質(zhì)量。這種“盤內(nèi)恒星”的存在，也被認(rèn)為是黑洞附近星族演化的重要途徑。J2245+3743 或許就是這種機(jī)制的直接證據(jù)——它不僅證明了超大質(zhì)量黑洞能“養(yǎng)育”并“吞噬”巨星，也揭示了盤中恒星與黑洞之間復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)互動(dòng)。

團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)一步指出，未來的巡天項(xiàng)目，如即將啟動(dòng)的“魯賓天文臺(tái)”（Vera C. Rubin Observatory）與“羅曼太空望遠(yuǎn)鏡”（Nancy Grace Roman Space Telescope），將能夠更頻繁地捕捉到類似的極端事件。

圖 | 魯賓天文臺(tái)（Space）

截至目前，J2245+3743 仍在緩慢暗化，但亮度依舊高于爆發(fā)前的兩倍。科學(xué)家們計(jì)劃繼續(xù)長期監(jiān)測(cè)其光變與光譜演化，以確認(rèn)這一事件的確切物理機(jī)制。

信息

1.https://www.nature.com/articles/d41586-025-03597-1

2.Graham, M. J. et al. Nature Astron. https://doi.org/10.1038/s41550-025-02699-0 (2025).

運(yùn)營/排版：何晨龍