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当的方式瓦解:一种是黑洞附近的两颗管星式恒星的碰撞;另一种是单个恒星被黑洞的潮汐力撕裂。
恒星碰撞
太阳系里两颗管星相撞的机会是微乎其微的,而在黑洞附近就不是如此。恒星之间碰撞的理论表明,两颗太阳类型恒星的低速(低于500公里/秒)碰撞是“软”碰撞,它们将粘结在一起,成为一颗大恒星。如果它们的速度大于500公里/秒,恒星就会被撞成碎片并散射开去。在星系盘甚至星团里,恒星的速度很少有超过200公里/秒的,然而,巨型黑洞的极深力洪能把附近恒星加速到每秒几千公里的速度。可以计算出,在一个10亿M黑洞周围10光年的范围内,香星式恒星的碰撞是毁坏性的,发生的频率为每年10次。碰撞的碎片成为气体云,在围绕黑洞的轨道上运转,填充着黑洞的“食品柜”。
不过,恒星间的碰撞看来只能作为那些含有很大黑洞的类星体的维持机制。对于那些其中黑洞较小、活动性也差些的星系核,恒星碰撞的频率就太低,以至于可能根本不起什么作用。
黑潮汐
巨型黑洞周围最惊心动魄的现象恐怕就是恒星被潮汐力所粉碎了。当一颗恒星在黑洞附近运动时,它靠近黑洞的一侧所受的引力比另一侧所受的要强,两侧受力之差就是由黑洞所施加的潮汐力(见“宇宙高尔夫球场”一节)。如果恒星运动的轨道近似是圆形的,潮汐力就总是很小,恒星能够调整其内部结构,成为朝向黑洞拉长的形状,以与外力相适应。但是,如果恒星是在黑洞引力场内的一个偏心轨道上运动,潮汐力就会随着它与黑洞距离的减小而迅速增大(在黑洞中心潮汐力成为无穷大,见“轻率的宇航员”一节),于是就会有这样一个位置,潮汐力达到与把恒星约束在一起的力一样大,恒星就再也不能调整其内部结构,而是开始急剧地变形,并被无可挽回地瓦解。
这种壮烈的事件只有当恒星行进到与黑洞的一个;临界距离以内时才会发生,这个距离称为洛希限度,因法国数学家洛希在1847年研究行星与其卫星之间的潮汐力问题而得名(络希的名字也被用于命名表征双星弓I力影响范围的“洛希瓣”,见图59有趣的是,一颗超过了洛希限度的恒星的破碎,就像它与另一颗相对速度超过500公里/秒的恒星相碰撞时一样容易。恒星一旦穿越洛希限度,它就像是与自己碰撞一样)。
洛希限度的大小主要取决于黑洞的质量,如果黑洞质量太大,即超过1亿M,黑洞半径(与质量成正比)就会比洛希限度大。这种情况下恒星只有在黑洞内部才会被潮汐力破碎,所有碎片自然也都在黑洞之内,天文学家也就什么都观测不到。对于质量较小的黑洞,恒星能在黑洞外被潮汐力摧毁。这就是为什么今天的大多数天体物理学家相信,赛弗特星系和那些几乎不活动的星系核里有着质量在11万到1亿Mpe间的黑洞,这些黑洞在吞食着由潮汐力撕裂的恒星碎片;而类星体和明亮的星系核里有着质量更大的黑洞,吸积原料则由恒星碰撞来提供。
“薄煎饼”
关于恒星被潮汐力变形和破碎的描述长期以来是以洛希对行星周围圆轨道上液体或固体卫星的研究为基础的。他证明,一个天体在另一个近邻大质量天体潮汐力作用下,会趋于在朝着后者的方向上伸长,而在垂直方向上收缩。这就是海洋面不仅在最靠近月亮处较高(那里受到的月亮引力最强),而且在正相反的位置上也较高的缘故(图67)。如果潮汐力相当大,如在一些很紧密地束缚着的双星系统的情况中,天体就会被拉成瘦长,像雪茄的形状。洛希限度就是这样一个距离,比它更近时变形会如此严重,以至于天体不再能稳定存在,而是开始破裂。
尽管以上所述对地球一月亮的情况是正确的,对黑洞一恒星系统却未必如此,因为天体的类型大不相同。布兰登·卡特和我本人几年前在默冬天文台决定重新考查这个问题,我们发现了未曾预期的现象,使得一些已被人们认可的关于天体被摧毁的概念受到了挑战。
黑洞一恒星系统与行星一卫星系统的差别主要是两点。第一,香星式恒星的轨道不是圆形的,而是拉得很扁的。一颗恒星要到达潮汐力具有破坏性的区域,它就必须沿很偏心的轨道运动。如果银河系中心确有一个质量为300万M、半径为1000万公里的黑洞,则任何一个像太阳这样的恒星行进到距黑洞2亿公里以内时都会被摧毁,因为这个距离就是银心的洛希限度。我们给自己提出的问题是这样的:对于一颗深入到了洛希限度以内而又没有被黑洞吞噬的恒星,将会发