物理与天文学院申荣锋教授和刘尚飞副教授等在中等质量黑洞潮汐剥离白矮星的研究方面取得新进展

稿件来源：中山大学物理与天文学院公众号发布人：孙悠然编辑：孙悠然系统审核人：曹雁群发布日期：2023-08-07

物理与天文学院天文系申荣锋教授和刘尚飞副教授研究团队在国际知名学术期刊《The Astrophysical Journal》发表了题为“TidalStripping of a White Dwarf by anIntermediate-mass Black Hole”的学术论文。第一作者为学院2019级博士研究生陈劲鸿（现已毕业，将赴香港大学进行博士后研究），申荣锋教授和刘尚飞副教授为共同通讯作者。该研究成果近日被美国天文学会（AAS）新媒体 Nova选为亮点文章推荐。

图1：黑洞潮汐撕裂恒星的模拟示意图，被撕裂的物质在黑洞附近形成了吸积盘并向外发出高能电磁辐射。[版权：NASA/CXC/U. Michigan/J. Miller et al.; Illustration: NASA/CXC/M. Weiss]

近几年，空间X射线望远镜发现了几个在星系中心和星团中发生的准周期X射线爆发。Andrew King和申荣锋等人认为这些源可能来自中等质量黑洞潮汐剥离白矮星事件，而这种事件恰好提供了一个极佳的窗口来寻找和测量这种黑洞。到目前为止，中等质量黑洞相比于恒星级质量黑洞和超大质量黑洞，它们存在的确凿证据依然非常少，但对于理解黑洞成长和星系形成至关重要。

图2：中等质量黑洞潮汐剥离白矮星的流体动力学模拟。黑洞位于黑色圆圈处。插入的小图放大显示了被潮汐剥离后的白矮星。一部分被潮汐剥离的物质沿着更加束缚的椭圆轨道回落到黑洞附近并与其他物质发生了碰撞交汇。

尽管天文学家猜测这类事件可能是中等质量黑洞潮汐剥离白矮星，但由于这个过程的研究大多是通过解析近似的方法进行，因此一直没有得到明确的解答。为了验证这些观测现象是否与接近中等质量黑洞附近的白矮星的缓慢死亡过程相关，陈劲鸿等人进行了详细的三维流体动力学模拟，更加准确地模拟了这个过程。通过数值模拟，他们明确了观测现象确实可以用中等质量黑洞潮汐剥离白矮星进行解释，同时他们还进一步得到了白矮星被剥离质量和物质回落率跟轨道参数的关系。这些剥离质量的多少和后续的演化过程将决定中等质量黑洞吞噬白矮星过程中产生的辐射的特征。

图3：白矮星被剥离的质量跟白矮星质量和轨道参数（偏心率e，瓦解半径和近心点距离的比值β）之间的关系。黑线是解析近似给出的结果。数据点是模拟得到的结果。可以看出在β<0.7时，解析的结果基本符合模拟得到的结果。

图4：天琴和LISA可探测引力波信号的最大距离（取两者最大值）跟白矮星和黑洞质量的关系。

陈劲鸿等人发现通过X射线望远镜（比如Swift和爱因斯坦探针），天文学家可以对它们周期性发出的X射线爆发进行探测。同样令人兴奋的是，陈劲鸿等人还发现，如果这种事件发生离地球足够近（约在1千万光年内），下一代引力波探测器（比如LISA和天琴）很可能也可以探测到这种系统旋进过程发生的引力波信号。这些白矮星潮汐剥离的数值模拟将有助于天文学家理解这种在夜空中闪烁的奇怪现象，并且进行多信使的时域天文观测来认证模型和搜寻中等质量黑洞。

本项研究工作得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、中央高校基本科研业务费以及中国载人航天工程的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.3847/1538-4357/acbfb6

申荣锋教授简介：

https://spa.sysu.edu.cn/zh-hans/teacher/133

刘尚飞副教授简介：

https://spa.sysu.edu.cn/zh-hans/teacher/148

陈劲鸿博士简介：

https://universpider.github.io/JH/

责编：孙悠然

一读：雷甜

初审：曹雁群

复审：林美珍

审核发布：漆小萍