天体物理学家模拟了黑洞吃太阳大小恒星的过程

一颗任性的恒星的残余物，围绕着黑洞盘旋。学分：Fulya Kıroğlu/西北大学
如果它们存在，中等质量黑洞可能会像一个凌乱的幼儿一样吞噬任性的恒星 - 咬几口，然后将遗骸扔到银河系中 - 西北大学领导的一项新研究发现。
在新的3D计算机模拟中，天体物理学家模拟了不同质量的黑洞，然后将恒星（大约相当于我们的太阳大小）抛过它们，看看会发生什么。
研究人员发现，当一颗恒星接近中等质量的黑洞时，它最初会被困在黑洞的轨道上。在那之后，黑洞开始了漫长而猛烈的进食。每恒星绕一圈，黑洞就会咬一口——每次经过都会进一步蚕食恒星。最终，除了恒星畸形且令人难以置信的密集核心外，什么都没有留下。
在这一点上，黑洞弹出残骸。这颗恒星的残骸飞向银河系的安全地带。
这些新的模拟不仅暗示了中等质量黑洞的未知行为，还为天文学家提供了新的线索，以帮助最终确定我们夜空中的这些隐藏的巨星。
“我们显然不能直接观察黑洞，因为它们不发光，”西北大学的Fulya Kıroğlu说，他领导了这项研究。“因此，相反，我们必须研究黑洞与其环境之间的相互作用。我们发现恒星在被弹出之前会经历多次通过。每次通过后，它们都会失去更多的质量，在撕裂时产生一丝光芒。每个耀斑都比上一次更亮，创造了一个可能有助于天文学家找到它们的特征。
Kıroğlu将在美国物理学会（APS）四月会议的虚拟部分介绍这项研究。《天体物理学杂志》已接受这项研究发表。
虽然天体物理学家已经证明了低质量和高质量块洞的存在，但中等质量黑洞仍然难以捉摸。超新星坍缩时产生的恒星残骸黑洞的质量约为太阳质量的3到10倍。在光谱的另一端，潜伏在星系中心的超大质量黑洞是我们太阳质量的数百万到数十亿倍。
如果它们存在，中等质量黑洞将位于中间的某个地方 - 比恒星残骸黑洞大10到10，000倍，但远不如超大质量黑洞那么大。虽然这些中等质量的黑洞在理论上应该存在，但天体物理学家还没有找到无可争辩的观测证据。

一颗恒星（右边是明亮的橙色圆点）从中等质量黑洞（左边的小环）中弹出后飞越银河系。学分：Fulya Kiroglu/西北大学
“他们的存在仍在争论中，”Kıroğlu说。“天体物理学家已经发现了它们存在的证据，但这些证据通常可以用其他机制来解释。例如，看似中等质量的黑洞实际上可能是恒星质量黑洞的积累。
为了探索这些回避物体的行为，Kıroğlu和她的团队开发了新的流体动力学模拟。首先，他们创建了一个由许多粒子组成的恒星模型。然后，他们将恒星送向黑洞，并计算恒星接近期间作用在粒子上的引力。
“我们可以具体计算出哪个粒子与恒星结合，哪个粒子被破坏（或不再与恒星结合），”Kıroğlu说。
通过这些模拟，Kıroğlu和她的团队发现恒星可以绕中等质量黑洞运行多达五次，然后最终被弹出。随着黑洞的每一次经过，恒星都会随着它的分裂而失去越来越多的质量。然后，黑洞将剩余物踢回星系 - 以灼热的速度移动 - 回到银河系。重复的模式将创造一个令人惊叹的灯光秀，应该帮助天文学家识别并证明中等质量黑洞的存在。
“令人惊讶的是，这颗恒星没有完全撕裂，”Kıroğlu说。“有些明星可能会很幸运，在事件中幸存下来。喷射速度如此之高，以至于这些恒星可以被识别为超高速恒星，已经在星系中心观察到了。
接下来，Kıroğlu计划模拟不同类型的恒星，包括巨星和双星，以探索它们与黑洞的相互作用。
更多信息：Fulya Kıroğlu等人，中质量黑洞对主序星的部分潮汐破坏，《天体物理学杂志》（2023）。