潮汐瓦解事件（Tidal Disruption Events，简称TDE）是发生在宇宙中的一种高能爆发现象，即恒星距离星系中心超大质量黑洞过近，其受到的潮汐力超过自引力，从而被潮汐力撕裂的事件。TDE发生后，被瓦解的部分恒星物质被黑洞束缚并最终吸积，其过程中会形成吸积盘并伴随极强的X射线或光学辐射，部分事件甚至产生相对论性喷流（例如Swift J1644+57）。
宇宙中，大部分超大质量黑洞处于“休眠”状态而难以被观测。而TDE产生的剧烈耀发可以点亮隐藏在宁静星系中心的超大质量黑洞及中等质量黑洞，因此是寻找并统计星系中心黑洞的重要途径。此外，TDE不仅可以帮助理解黑洞自旋及黑洞的质量增长与演化过程，其极端水平的吸积和多样的吸积盘演化过程也为人们研究黑洞周围吸积与喷流物理提供了珍贵的条件。因此，潮汐瓦解事件是理想的天体物理实验室，是天文学研究的重要课题。
图1: 潮汐瓦解事件示意图。当恒星靠近一颗“休眠”的超大质量黑洞时，潮汐力将恒星瓦解，其中一部分恒星残骸物质会被黑洞所吸积。图片来源: NASA/CXC/M.Weiss
潮汐瓦解事件的物理过程
当恒星与超大质量黑洞的距离小于潮汐瓦解半径时将发生潮汐瓦解事件，约一半的被瓦解恒星物质会摆脱引力沿抛物线轨道抛出，另一半则向黑洞回落并最终吸积进入黑洞。
图 2 潮汐瓦解事件各个阶段示意图。a）恒星被撕裂过程：当恒星进入潮汐瓦解半径，潮汐力超过恒星自引力，约一半被撕裂恒星残骸将向黑洞回落（Rees et al.1988[1]，图片来源：Scientific American）；b) 回落物质轨道圆化过程：回落物质将通过近心点激波和轨道相交碰撞激波两种方式耗散能量，轨道逐渐圆化最终形成吸积盘（Piran et al. 2015[2]，图片来源：NASA）；d）吸积过程：随着回落率衰减，吸积盘将经历超爱丁顿吸积到亚爱丁顿吸积的演化过程，早期吸积盘存在盘风/外流（Dai et al. 2018[6]，Feng et al. 2019[7]）。
回落物质随后会发生如图2所示的圆化过程[2,3]。不同轨道的回落物质向近心点汇集产生激波（nozzle shock）。同时，最内层轨道的物质运动最快，其绕转一周后会与后续回落的物质发生碰撞，产生一个“向前”和“向后”的激波，分别为图2中的粉色区域。这一系列过程称为Shock heating，会消耗物质的动能及内能，产生大量热量并导致轨道圆化。随后，黑洞周围的物质将形成一个暂态的吸积盘，进入吸积阶段。
随着回落率下降，吸积盘将经历一系列演化过程。研究普遍认为，潮汐瓦解中首先形成几何厚、光学厚的Slim盘，其能量耗散由径移主导，吸积可以达到超爱丁顿吸积率，并在X射线/EUV波段产生明亮的耀发，TDE的光度在此阶段达到峰值。而随着被黑洞吸积物质的增加，剩余回落物质减少，黑洞的吸积率也随之减小，吸积盘将从Slim盘过渡到几何薄、光学厚的标准薄盘（SSD），其吸积光度小于爱丁顿光度，能量耗散由辐射主导，能量机制主要为黑体辐射。随后吸积率继续下降至一定程度后，盘再次转化为径移主导的吸积流（ADAF）或辐射效率较低的吸积流（RIAF）。
由以上过程，潮汐瓦解事件在观测上主要表现为X射线波段的强耀发，吸积光度达到峰值后随时间以幂律衰减（衰减指数-5/3），中晚期出现光学辐射，整个过程持续几个月到几十年。
超爱丁顿吸积阶段
针对TDE的研究主要集中在拥有较强的可观测性的超爱丁顿吸积阶段。在实际观测中人们发现了一些集中在硬X射线波段（即含有相对论性喷流的TDE）及很多仅在光学波段的TDE，这些光学TDE无法直接用标准的Slim盘辐射来解释。对此，科学家们主要提出了两派模型：盘风模型[4]与包层模型[5]。
盘风模型认为，超爱丁顿吸积使得物质受到大于引力的向外的辐射压，使吸积盘表面产生由辐射压驱动的外流（即盘风），带走一部分回落物质，而观测探测到的外流辐射则主要在光学波段。同时，由于盘风的存在，吸积盘内部的吸积率也会随盘半径减小而减小，故最内部黑洞吞噬气体的速率也存在上限。因此，吸积盘的辐射通量存在上限。此外，盘上的大尺度磁场或激波也可引起盘风导致此现象的发生。
图 3 吸积盘存在盘风时吸积率随半径的变化，黑洞附近吸积率存在上限。图片来源：Feng et al. 2019[7]
包层模型最初于1997年由Loeb和Ulmer提出[5]，认为辐射压会阻止外层物质的进一步下落，使气体在吸积盘外形成一个刚好被束缚的准球形包层，吸积盘发出的X射线/EUV辐射在通过光学厚包层时被部分吸收，产生新的热平衡，辐射效率改变，转化为紫外线/光学辐射。2014年，Coughlin和Begelman对此模型进行了改进[8]，考虑了角动量转移引起的包层旋转。该模型使用零伯努利参数来描述包层物质的极限状态，多余的吸积能量将以旋转的漏斗状喷流形式从包层两极喷出。
后续研究认为，旋转包层内部仍存在较小的吸积盘，且其仍进行上文介绍过的演化过程。其中超爱丁顿吸积阶段的厚盘上可能存在辐射压驱动的盘风及由Blandford-Znajek机制[9]驱动的喷流以释放多余的能量。同时，包层也随物质的回落与吸积发生升温与降温、膨胀与缩并入吸积盘的过程。
图 4 包层模型示意图，两极处的物质缺口可产生喷流。图片来源：Metzger 2022[10]
展望
TDE的基本理论自上世纪70年代开始发展至今，经过多年的研究，人们对TDE取得了较多的观测结果，观测和理论都得到较大的发展，近年来对TDE中各阶段的数值模拟也极大地推动了人们对TDE物理的理解。如今，天文学家们正致力于研究可描述整个TDE过程的整体模型。在未来，随着更多巡天项目的开启（如我国研制的爱因斯坦探针X射线望远镜EP[11]），我们将迎来一场TDE研究的盛宴，对更多TDE候选体的研究及对盘形成、吸积和辐射过程的详细整体模型和数值模拟将帮助我们进一步理解黑洞吸积与喷流物理。
参考文献
[1] Rees M J. Tidal disruption of stars by black holes of 10 to the 6th-10 to the 8th solar masses in nearby galaxies [J]. Nature, 1988, 333(6173): 523-528
[2] Piran T, Svirski G, Krolik J, et al. Disk Formation versus Disk Accretion—What Powers Tidal Disruption Events? [J]. Astrophysical Journal, 2015, 806: 164
[3] Shiokawa H, Krolik J H, Cheng R M, et al. General Relativistic Hydrodynamic Simulation of Accretion Flow from a Stellar Tidal Disruption [J]. Astrophysical Journal, 2015, 804(2):85
[4] Strubbe L E, Quataert E. Optical Flares from the Tidal Disruption of Stars by Massive Black Holes [J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2010, 400(4): 2070-2084
[5] Loeb A, Ulmer A. Optical Appearance of the Debris of a Star Disrupted by a Massive Black Hole [J]. Astrophysical Journal, 1997, 489(2): 573-578
[6] Dai L, McKinney J C, Roth N, Ramirez-Ruiz E, Miller M C. A unified model for tidal disruption events [J]. Astrophysical Journal, 2018, 859(2): 20
[7] Feng J, Cao X, Gu W M, et al. A global solution to a slim accretion disk with radiation-driven outflows [J]. The Astrophysical Journal, 2019, 885: 93-103
[8] Coughlin E R, Begelman M C. Hyperaccretion during Tidal Disruption Events: Weakly Bound Debris Envelopes and Jets [J]. Astrophysical Journal, 2013, 781(2): 109-125
[9] Blandford R D, Znajek R L. Electromagnetic Extraction of Energy from Kerr Black Holes [J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 1977, 179: 433-456
[10] Metzger B D，Cooling Envelope Model for Tidal Disruption Events. arXiv:2207.07136
[11] Yuan W, Osborne J P, Zhang C, W, Willingale R. Exploring the Dynamic X-ray Universe: Scientific Opportunities for the Einstein Probe Mission [J]. Journal of Space Science, 2016, 36: 117-138
作者简介：黄琛，华中科技大学物理学院本科生，物理学1801班
编校：邹远川，雷卫华
文章编号：华中大天文220902A
