作者：伊薇特·森德斯

　　当恒星被黑洞吞噬后，往往被认为会彻底消失。但近年来的观测显示，一场吞噬盛宴后，黑洞似乎也会“消化不良”。

　　黑洞不可见，却是宇宙中极为耀眼的存在。如果一颗恒星过于靠近黑洞，它会在像烟花秀一样的“潮汐瓦解事件”中被撕碎。随着不断靠近黑洞，恒星会先被扭曲拉伸，然后约半数的物质会被抛向远方，另一半则在黑洞周围形成飞盘状的吸积盘。这个刚刚形成的吸积盘并不稳定——其中的物质翻涌碰撞，激发出可在无线电波段观测到的宇宙霓虹。

　　这类事件极为罕见。科学家估算，银河系中心的超大质量黑洞约每百万年才会吞噬一颗恒星。但事件一旦发生，其释放出的光与能量足以在数百万甚至数十亿光年外观测到。

　　天文学家曾认为，在这场“盛宴”过后，被吞噬的恒星会彻底消失。然而，近五年的观测结果颠覆了这一认知。理论未曾预料的奇特现象表明，黑洞似乎会“消化不良”——在撕裂恒星数年后再度喷出物质。事实上，科学家发现，在沉寂数年后，近半数吞噬恒星的黑洞会突然重新在射电波段爆发——相当于一次宇宙级的“打嗝”。我们知道这些物质绝不可能来自黑洞事件视界内部，它们更有可能来自事件视界外吸积盘中激荡的物质。但想要解释这些黑洞为何会在延迟如此久之后才“打嗝”，目前还颇具挑战性。或许，揭开这些反流现象的谜团，能帮助我们理解藏在宇宙最极端环境中未知的物理奥秘。

　　潮汐瓦解事件

　　大多数银河系大小或更大的星系，中心往往都藏着一个超大质量黑洞。这些黑洞的质量可达太阳的数百万倍乃至数十亿倍，其事件视界（有去无回的边界）范围可能超越冥王星绕日轨道半径。然而，尽管体型惊人，黑洞并不会像吸尘器一样肆意吞噬物质，正如我们的太阳不会吞噬行星。假如太阳瞬间被替换成一个质量相同的黑洞，地球仍将沿着原有的轨道运行。黑洞真正的独特之处在于它的密度：在事件视界内，它的引力无比强大，任何事物都无法从中逃脱。

　　对于超大质量黑洞，仅凭自身质量就意味着极为强大的引力。我们银河系中心的黑洞就是这样，它被称为银心黑洞，距离地球2.7万光年，质量约为太阳质量的400万倍。数十年来，天文学家一直密切追踪稳定绕转银心黑洞的数十颗恒星。但他们认为，应该还有数千个天体是不可见的——其中很多是中子星、白矮星这类死亡恒星的残骸，它们过于黯淡，因而很难被发现。而一旦某个未知天体从某颗恒星附近经过，可能会扰动后者的轨道，并将其推向与银心黑洞相撞的不归路。

　　远在到达事件视界之前，这颗注定毁灭的恒星就会开始经受潮汐力。离大质量黑洞越近，引力就越强，因此恒星靠近黑洞的一侧会比另一侧受到更强的引力。恒星将开始被拉伸，在被称为潮汐半径的边界处，恒星两侧受到的拉力差最终会大于恒星内部将其维系在一起的引力。恒星将沿着运动方向解体，这一过程也被称为“意大利面化”——首先从球形变成卵形，然后变成长条状物质，类似于细长的意大利面条。随着恒星密度的降低，其内部聚变停止，这颗可能燃烧了数十亿年的恒星会在短短几个小时内解体。一半的物质会立即向外抛射，永不复返，其余的则会形成一个新的吸积盘绕着黑洞晃动。当这种情况发生时，吸积盘物质质量的剧烈变化通常会在可见光波段产生非常明亮的耀发。

　　第一例潮汐瓦解事件的“候选者”于20世纪90年代被发现，到如今，天文学家已经观测到约100例此类事件。恒星解体发出的闪光可以在数百万光年外被看到，乍一看很像一颗爆炸的恒星。然而，这两者之间存在一些关键区别：首先，潮汐瓦解事件发生在潜伏着超大质量黑洞的星系中心，而超新星可能发生在任何地方；其次，来自黑洞耀发的光谱与垂死恒星的光谱也不相同。天文学家在恒星解体事件中会观测到大量氢的光谱特征，因为这颗恒星可能含有大量从未被利用过的剩余燃料，这也意味着该恒星并非自然死亡。

　　我们每年都能发现大约十几例新的潮汐瓦解事件，它们发生在平时不怎么“进食”的黑洞周围。这些黑洞与我们所说的活动星系核不同，后者会进行长达数年的“饕餮盛宴”，在很长的时间尺度内吸入大量气体并持续发光。活动星系核的吞噬狂潮极其混乱，且进食的节奏无比杂乱。相比之下，潮汐瓦解事件则相对受控，使我们得以观察将一小块非常致密的物质一次性注入黑洞时会发生什么。

　　当有人发现新的潮汐瓦解事件时，像我这样的射电天文学家便会调转望远镜，去寻找从新形成的吸积盘向外流出的质量和能量所发出的辐射，寻找以前不存在的射电辐射，即所谓的外流。而射电波就来自这些外流所产生的磁场中电子的螺旋运动，它为我们提供了一个在其他波长下无法获得的物理图像。我们可以探测逃逸物质的速度、爆发的能量、磁场的强度，甚至外流所穿过的气体和尘埃的密度。此外，一旦外流离开新形成的吸积盘，仍可以在消散前传播数光年的距离。观测这些外流为天文学家提供了一种独特的方式，可以借此探测此前休眠的超大质量黑洞周围的环境，而这种方式的精细程度是其他方法无可比拟的。

　　潮汐瓦解事件中释放的全部物质中，大约有99%被称为非相对论性的——它们以光速的10%或更低的速度运动。然而，剩下的1%则非常不同。在这些情况下，来自被撕裂恒星的物质会汇聚成一个以接近光速发射的喷流。其速度如此之快，以至于我们在研究它时必须考虑相对论定律，因此我们称之为“相对论性外流”。

　　第一例已知的相对论性潮汐瓦解事件名为Swift J1644+57，于2011年被美国航空航天局（NASA）的格雷尔斯雨燕天文台发现，当时它探测到一个来自38亿光年外的星系中心发出的奇怪辐射爆发。在持续一年半的稳定辐射后，Swift J1644+57中的喷流突然关闭。大概是因为供给喷流的恒星物质大部分已被消耗殆尽，并且吸积率（黑洞在给定时间内吞噬的物质质量）下降到某个临界值以下。在此之前，没人预料到这类黑洞进食事件能产生相对论性喷流，更不用说在如此短的时间尺度内开启和关闭喷流。至于它们究竟是如何产生，又是为何产生的，目前我们尚未完全理解。

　　天文学家曾认为，所有潮汐瓦解事件的光变模式都是相似的——耀发持续几个月，之后就沉寂下去。在它们变暗以后，我们通常就会停止观测。毕竟，射电望远镜的观测时间非常宝贵。为什么要在爆炸发生几年后还浪费宝贵的时间去观测呢？这是一个合理的假设，但事实证明这是错误的。而这项错误的假设，却让我有机会获得毕生难得的发现。

　　前所未有的发现

　　我第一次决定成为一名天文学家是在13岁那年，当时我读了一本关于太空的书。我一直很喜欢故事，而宇宙的故事无疑是我们所知最宏大、最壮丽的篇章。在高中时，我决定要成为一名射电天文学家。这要归功于卡尔·萨根1985年的小说《接触》，书中的女主角艾莉·艾罗威利用美国新墨西哥州的甚大阵（VLA）发现了地外信息。自从投身于这个领域，我从未停止过探索，因为射电天文学对我而言就像魔法一样：它让我们能够通过连接建筑物大小的天线来捕捉最微弱的信号，而这些信号歌唱着用其他方法无法聆听的故事。作为射电天文学家，我的职业生涯充满了冒险，但没有什么能与AT2018hyz的发现相提并论——这是我第一次发现正在“打嗝”的黑洞。

　　这一切都始于2021年美国马萨诸塞州剑桥市一个阳光明媚的秋日。当时我还是美国哈佛-史密森尼天体物理中心的一名博士后研究员，负责处理来自VLA的数据，这些数据当时还没人有空研究。几个月前，另一个团队在射电波段探测到了一次潮汐瓦解事件，名为ASASSN-15oi，这距离它首次在可见光波段被观测到，已经晚了100多天，且此前没有探测到射电信号。多数天文学家认为这次耀发是该天体或其环境特有的某种异常情况造成的，但我认为不妨重新搜索一次VLA的巡天数据，看看是否有其他黑洞也出现过重复的耀发。

　　VLA通过27个天线收集射电信号，然后将这些数据组合起来，生成一幅射电图像。如果我们扫到了一个射电源，它就会在一片黑色的背景中点亮一块像素簇；如果什么都没有，我们就只能看到杂乱的噪声图。就在那个决定性的日子，我打开了一张名为AT2018hyz的潮汐瓦解事件的图像，这一事件最初于2018年在光学波段被发现。当我看到屏幕时，我困惑地愣了一会，然后才手动确认坐标是正确的。在我本以为只会是噪声的地方（此前从未有人在这片区域探测到射电波），出现了一个明确无误的明亮射电源——这可是距离地球约6.65亿光年的地方。它就这么明确地、悄无声息地“亮”了起来。

　　我立刻联系了我的合作者们，他们都和我一样兴奋。后来，我找到了一张射电巡天图，恰好是约9个月前在同一片天空拍摄的图像。那张图上除了噪声什么都没有，这意味着AT2018hyz的射电辐射在短短几个月内突然增强。在天文学史上，这是前所未见的现象。

　　大约在第一批观测数据传来时，我回家把这个发现告诉了丈夫。“问题是，AT2018hyz这名字可不怎么顺口，”我告诉他，“而且很明显，我们接下来的日子会频繁提到它。你想给它起个名字吗？”我丈夫顿了一下，用那种当妻子让你为一个黑洞命名时应有的庄重而严肃的语气坚定地说：“杰蒂·麦克杰特菲斯。”虽然这个名字不是官方的，但从那时起，AT2018hyz在我们家就被叫作“杰蒂”了。

　　从某种意义上说，杰蒂最引人注目的点在于它竟然不是个例。当我分析完整个观测活动的数据时，我发现有好几个数年前发生的潮汐瓦解事件也出现新的射电探测信号。这些事件都是最初被发现，过一段时间后“熄灭”，现在又重新“亮”了起来。这似乎意味着，黑洞在吞噬恒星几年后会“消化不良”，然后“打嗝”。这种现象令人惊讶，原因有几点：对于这类事件，时隔几年才有光点再重新亮起，这个时间间隔可不寻常。就像你不会期待，在炸弹爆炸几年后回到现场，还能看到有新的碎片再次释放。当然，我们也不认为黑洞只是简单地开始吞噬另一颗恒星——如果真是这样，我们应该能观测到可见光，但事实并非如此。

　　最终，我和团队对大约二十几个黑洞进行了巡天观测，所有这些黑洞最初都是在光学波段被发现并确认。通过这些发现，我们可以确切地知道最初增亮事件发生的时间。而在随后的几年里，它们都曾在射电波段被观测过，且当时都是黑暗的。然而，在这些黑洞中，我们发现了10个在射电波段重新“亮”起来的“打嗝”黑洞。无论这背后发生了什么，它都表明黑洞“打嗝”可能是常见的，这让我们看到了一种可以用来检验黑洞物理学的新现象。

　　尽管仍有许多未解之谜，但目前我们已知的信息如下。首先，关于潮汐瓦解事件主要在最初几个月内释放光和能量的假设是错误的。尽管我们总是在最初的瓦解事件中观测到可见光，但数据显示，射电辐射最常见于瓦解发生至少1000天后。甚至有些黑洞似乎会释放第二波射电波洪流——一次相对迅速，另一次则在第一次衰退数百天之后释放。黑洞开始在射电波段发光的时间与其在其他波段发光的时间似乎没有显著关联——射电辐射没有伴随着表明第二颗恒星被瓦解的光学耀发，也没有伴随着表明黑洞吸积质量发生显著变化的X射线。

　　最后，迄今为止收集到的射电数据显示，这些延迟的“打嗝”看起来像是相对正常的非相对论性潮汐瓦解事件外流——只是来得比预期要晚得多。我们在它们周围环境中测到的气体密度也与银河系中的相似。也就是说，这些黑洞周围的环境并没有什么特别之处。

　　滞后“打嗝”之谜

　　现在，最关键的问题是黑洞为什么会“打嗝”。这看上去就像它们吞噬完物质后，停顿一下，然后开始吐出一些物质。需要明确的是，我们并没有观测到物质逃出黑洞事件视界：这在物理上是不可能的，而且我们也没有看到任何迹象表明发生了这种情况。相反，我们认为是吸积盘内部或外部正在发生一些事情。天体物理学家曾提出，吸积盘的形成也许比我们之前假设的要晚得多，也可能是黑洞在其周围环境中产生了异常的密度波动。这些耀发可能是由相互作用的尘埃云引起的，也可能是像茧壳一样围绕在黑洞周围的物质延迟了射电辐射的流出，使其过了一段时间才释放。目前尚不清楚哪种理论或哪些理论是正确的。

　　然而，在所有黑洞中，杰蒂（或者说AT2018hyz）是个例外。尽管其他黑洞的“打嗝”事件彼此之间都展现出一些相似性，但杰蒂简直是“鹤立鸡群”。自我首次发现它以来，它的亮度一直在持续上升，现在已经比当初探测到时亮了大约40倍。

　　我们仍不确定是什么原因驱动了杰蒂，但有两种可能性。第一种是，杰蒂在吞噬恒星大约两年后“打嗝”，释放出一个速度约为光速的三分之一的外流。这将是我们所知的第一个“中等相对论性”外流，介于非相对论性和接近光速之间。

　　第二种可能性也许更加令人难以置信。或许在2018年10月最初的潮汐瓦解事件发生时，一个相对论性物质喷流以几乎垂直于地球的方向发射。这个喷流将是我们迄今为止见过的能量最高的喷流之一。起初，它的方向会使我们无法观测到它，但随着时间的推移，喷流会逐渐变宽并进入我们的视线。这可能就是我们现在看到的，数年后的现象。至于它究竟会达到多高的能量和亮度，只有实际观测到才能得知。

　　为了区分这两种可能性，我和合作者正在使用另一种方法——甚长基线干涉测量（VLBI）来研究杰蒂。通过VLBI，我们将北美和欧洲的射电望远镜连接起来，以创建一个虚拟的射电望远镜，使其有效尺寸相当于德国和夏威夷之间的距离。我们相信，即使距离数亿光年，这个组合望远镜的分辨率也足以让我们直接观测到从黑洞中喷出的物质。如今我们已经获得了第一批观测数据，但分析如此远距离的数据非常棘手。我们希望很快能得到答案。

　　我们还希望扩大已知的潮汐瓦解事件的观测范围，以监测是否有“打嗝”现象。位于智利的薇拉·鲁宾天文台是一台口径8.4米的望远镜，它已于今年投入使用，每晚巡视整个夜空。一旦全面运行，鲁宾天文台预计将发现数百万个新天体，从超新星到小行星，并且每年应该能发现大约1000个新的“进食中”的黑洞。

　　此外，南希·格雷丝·罗曼空间望远镜将于2027年发射。这台望远镜拍摄的图像，将与哈勃空间望远镜的清晰度相似，但视场宽了100倍。我们预计它每年将发现数百个新的潮汐瓦解事件。对那些习惯于像如涓涓细流般发现少量新天体的科学家而言，这种消防水管般喷涌而出的新数据洪流，既令人兴奋，又充满挑战。

　　我们生活在一个充满宏大毁灭事件的宇宙中，这些毁灭事件的规模和距离往往都令人难以理解。但黑洞将继续它们的“盛宴”和“打嗝”，而我和同事们也将持续关注。

　　（本版图文均由《环球科学》杂志社供稿）

　　《光明日报》（2025年12月04日 14版）