超大質(zhì)量黑洞通常潛伏在看不見的地方，但當(dāng)一顆不幸的恒星漂移得太近時(shí)，它們會(huì)引發(fā)比 100 顆超新星還要明亮的巨大爆發(fā)。通過綜合NASA、ESA和地面數(shù)據(jù)，天文學(xué)家捕捉到了三次罕見的“極端核瞬變”，其中包括被戲稱為“芭比”的事件，觀測到休眠星系核在數(shù)月內(nèi)猛烈攻擊質(zhì)量相當(dāng)于太陽三到十倍的恒星。

圖中，一團(tuán)熱氣盤圍繞著黑洞旋轉(zhuǎn)。部分氣體來自一顆被黑洞撕裂的恒星，形成了右側(cè)長長的熱氣流，并流入黑洞盤。圖片來源：NASA/JPL-Caltech

這些耀斑灼熱的紫外線、X射線和紅外線特征暴露了原本隱藏的重量級(jí)黑洞，并重塑了它們的宿主星系，同時(shí)也為未來像羅曼太空望遠(yuǎn)鏡這樣的天文臺(tái)提供了路線圖，以便在宇宙誕生之初就發(fā)現(xiàn)類似的爆發(fā)。

黑洞通常是隱形的，靜靜地隱藏在太空中，除非有什么東西暴露它們。有些黑洞不斷吞噬氣體和塵埃，并在吞噬過程中發(fā)出明亮的光芒。有些黑洞則會(huì)在數(shù)年內(nèi)保持完全沉寂，只有當(dāng)一顆恒星游離得太近并被撕裂時(shí)才會(huì)顯露出來。

如今，一項(xiàng)結(jié)合美國國家航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ ESA ）和多個(gè)地面天文臺(tái)數(shù)據(jù)的新研究揭示了三個(gè)超大質(zhì)量黑洞吞噬大質(zhì)量恒星的非凡案例。這些劇烈事件釋放的能量都超過100顆爆炸恒星，使其成為自大爆炸以來觀測到的最強(qiáng)大的宇宙爆炸。

這些位于遙遠(yuǎn)星系的黑洞在吞噬質(zhì)量相當(dāng)于太陽三到十倍的恒星時(shí)突然爆發(fā)出耀眼的光芒。這些恒星毀滅盛宴發(fā)出的光芒持續(xù)了數(shù)月之久，為科學(xué)家們提供了一個(gè)難得的機(jī)會(huì)來觀察原本隱藏的事物。

這幅圖展示了一顆恒星被超大質(zhì)量黑洞吞噬時(shí)產(chǎn)生的一股熾熱物質(zhì)流。當(dāng)恒星經(jīng)過距離黑洞一定距離以內(nèi)（近到足以被引力擾亂）時(shí)，恒星物質(zhì)在墜入黑洞的過程中會(huì)被拉伸和壓縮。圖片來源：NASAJPL-Caltech

天文學(xué)家將這些罕見的爆發(fā)稱為“極端核瞬變”。這種新的宇宙事件可能有助于發(fā)現(xiàn)一些通常處于黑暗狀態(tài)且無法探測到的超大質(zhì)量黑洞。

夏威夷大學(xué)研究生、《科學(xué)進(jìn)展》雜志上描述這一現(xiàn)象的新研究的主要作者杰森·辛克爾說：“這些事件是我們能夠聚焦于原本不活躍的大質(zhì)量黑洞的唯一方式。 ”

這些事件會(huì)向其宿主星系的中心區(qū)域釋放出大量的高能輻射。“這對(duì)這些事件發(fā)生的環(huán)境有影響，”欣克爾說。“如果星系發(fā)生了這些事件，它們對(duì)星系本身就很重要。”

恒星毀滅會(huì)產(chǎn)生高能光，需要超過100天才能達(dá)到峰值亮度，然后需要超過150天才能暗淡至峰值亮度的一半。高能輻射對(duì)環(huán)境的影響方式導(dǎo)致了望遠(yuǎn)鏡也能探測到的低能輻射。

其中一個(gè)恒星毀滅事件因其星表標(biāo)識(shí)符 ZTF20abrbeie 而被昵稱為“芭比”，它于 2020 年被加州理工學(xué)院帕洛瑪天文臺(tái)的茲維基瞬變設(shè)施發(fā)現(xiàn)，并在 2023 年的兩項(xiàng)研究中進(jìn)行了記錄。另外兩個(gè)黑洞分別于 2016 年和 2018 年被歐空局的蓋亞任務(wù)探測到，并在新論文中進(jìn)行了詳細(xì)研究。

美國宇航局的尼爾·格雷爾斯·斯威夫特天文臺(tái)在確認(rèn)這些事件與黑洞而非恒星爆炸或其他現(xiàn)象有關(guān)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。X射線、紫外線和可見光隨時(shí)間的變化，就像黑洞撕裂恒星的指紋一樣。

科學(xué)家們還使用了NASA WISE太空探測器的數(shù)據(jù)。該探測器于2009年至2011年運(yùn)行，隨后以NEOWISE的名義重新啟動(dòng)，并于2024年退役。在WISE任務(wù)中，該探測器繪制了紅外波長的天空?qǐng)D，發(fā)現(xiàn)了許多新的遙遠(yuǎn)天體和宇宙現(xiàn)象。在這項(xiàng)新研究中，該探測器的數(shù)據(jù)幫助研究人員表征了每個(gè)黑洞環(huán)境中的塵埃。眾多地面天文臺(tái)也為這一發(fā)現(xiàn)做出了貢獻(xiàn)，包括由NASA資助的WM凱克天文臺(tái)望遠(yuǎn)鏡（其檔案庫）以及NASA支持的近地天體巡天項(xiàng)目ATLAS、Pan-STARRS和Catalina。

“我認(rèn)為這項(xiàng)工作最令人興奮的地方在于，我們正在突破我們所理解的宇宙中能量最高的環(huán)境的上限，”太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所的科學(xué)家、該研究的合著者安娜·佩恩說，她幫助利用夏威夷大學(xué) 2.2 米望遠(yuǎn)鏡尋找這些事件的化學(xué)指紋。

NASA 未來地球與空間科學(xué)與技術(shù)研究員 (FINESST) 項(xiàng)目的資助幫助 Hinkle 搜尋這些黑洞事件。“FINESST 的資助讓 Jason 能夠自由地追蹤并弄清這些事件的真正原因，”夏威夷大學(xué)天文研究所副教授、本研究合著者兼 Hinkle 顧問 Ben Shappee 說道。

辛克爾將通過美國宇航局哈勃獎(jiǎng)學(xué)金項(xiàng)目，以伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校博士后研究員的身份，繼續(xù)跟進(jìn)這些成果。“天文學(xué)最大的問題之一是黑洞是如何在整個(gè)宇宙中生長的，”辛克爾說。

這一結(jié)果補(bǔ)充了美國宇航局詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡最近的觀測結(jié)果，揭示了超大質(zhì)量黑洞在早期宇宙中如何吞噬和生長。但由于只有10%的早期黑洞會(huì)主動(dòng)吞噬氣體和塵埃，因此極端核瞬變——即捕捉到正在吞噬大質(zhì)量恒星的超大質(zhì)量黑洞——是尋找早期宇宙黑洞的另一種方法。

這類事件非常明亮，即使在遙遠(yuǎn)的早期宇宙中也能看到。斯威夫特太空望遠(yuǎn)鏡表明，極端核瞬變的大部分光都來自紫外線。但隨著宇宙膨脹，這些光的波長被拉長，并轉(zhuǎn)移到紅外線——這正是美國宇航局即將發(fā)射的南希·格雷斯·羅曼太空望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)初衷。

憑借強(qiáng)大的紅外靈敏度和廣闊的視野，羅曼號(hào)將能夠發(fā)現(xiàn)這些罕見的爆炸，它們發(fā)生于120多億年前，當(dāng)時(shí)宇宙的年齡僅為現(xiàn)在的十分之一。羅曼號(hào)計(jì)劃于2027年發(fā)射，最早可能于2026年秋季發(fā)射。它將揭示更多類似的戲劇性事件，并為探索恒星、星系和黑洞的形成和演化提供新的途徑。

佩恩說：“我們可以以這三個(gè)物體為藍(lán)圖，了解未來要尋找什么。”

編譯自/scitechdaily