现今天文学家们发现每个星系的中心都有一个质量约为一百万到十亿个太阳质量的巨大黑洞。星系中的恒星因引力作用围绕著黑洞旋转。我们想要更多的了解这些大质量黑洞，比如测量它们的质量及自旋参数是如何，这些信息可以帮助我们研究黑洞的天体物理学以及宇宙学等等。然而这些大质量黑洞通常处于休眠状态，以致我们难以观测到它们或得到关于它们的信息。

图1︰银河系的示意图 恒星绕著中心的大质量黑洞运转

在星系最中心的部位，恒星之间的相互引力作用有时会改变他们的原有轨道，甚至令到一些恒星被散射到离黑洞很近的位置。当恒星离黑洞过近时，黑洞重力产生的潮汐力可以强烈到撕破恒星，而产生“潮汐力瓦解恒星事件”。此时恒星被拉扯成一个狭长的星屑气体带，有一半的星屑会坠落入黑洞中。在这个过程中，星系中心会发出明亮的闪光辐射，有时在可见光波段，有时在X射线波段。天文学家建造了大型的巡天望远镜来捕捉这些信号，并通过分析它们来推断出很多关于大质量黑洞的信息。

图2︰潮汐力瓦解恒星事件的想像示意图
来源︰NASA / CXC / M Weiss

在潮汐力瓦解恒星事件中，一个很有趣的物理现象是很多的恒星气体在极短时间（几年）内被喂给了黑洞。这时的黑洞的气体吸积率极度之高，以致黑洞吞不下全部的气体而需要把一部分气体丢出去。因此这些恒星气体最后只有一部分能进入黑洞，而另一部分转化为能量以辐射或气体风的形式被释放出去。对这个物理过程的研究是个有很大挑战性的课题，因为我们需要计算在广义相对论下黑洞附近的气体、磁场以及辐射之间如何相互作用。因此我们的研究组研发了一些先进的数值模拟程序来解决这个难题。而这些复杂的程序如果在单核计算机上运算需要用上百年的时间！因此，我们需要在一些大型超级计算机中心做一些平行运算，比如使用广州的天河2号超算中心（为世界上最快的超级计算机之一）。在下图中可以看到我们的程序算出的黑洞吸积盘的一帧图片。

图3︰吸积盘的结构（从侧面看及从上往下看）。中心的黑点为黑洞。红色代表气体密度很高。黑线代表磁场线。
来源︰J L Dai / The Astrophysical Journal Letters, 859, L20

在早期的宇宙里，黑洞附近尚有大量的气体，因此也会发生上面所讲的极端气体吸积现象。所以通过研究潮汐力瓦解恒星事件，我们也可得以窥见大质量黑洞曾经是如何增长质量并通过释放辐射和风来影响它们所在的星系。另外通过研究潮汐力瓦解恒星事件，我们还可以检验广义相对论，以及测量黑洞的各种参数等等。这些天文学的研究都能够让我们更加清晰地了解黑洞和星系是怎样从宇宙诞生伊始相互影响、共同进化，而最后形成我们现在所在的世界。

图4︰宇宙早期大尺度结构以及星系演化和黑洞合并的模拟（绿色为气体密度高的地方，蓝色为星系，红色显示高温）
来源︰H Pfister

作者︰
香港大学物理系助理教授戴丽心博士