大多數銀河系中心被認為藏有超大質量黑洞。這些龐大天體的質量可達太陽的數百萬甚至數十億倍，形成宇宙中最強大的引力環境之一。
當恆星危險地接近這些黑洞時，毀滅並非總是立刻發生。有些恆星能在遭遇後存活，並多次接近黑洞，每次都會產生新的光芒爆發。
這些事件稱為重複部分潮汐撕裂事件（rpTDEs），讓天文學家得以觀察同一顆恆星與同一黑洞多次互動。寬視野時間域巡天透過反覆掃描天空大區域，追蹤亮度變化的天體，使這成為可能。
然而，有些系統讓天文學家感到困惑。它們的閃光並非每次回歸都相似，而是逐漸變暗。多年來，理論模型難以重現這種現象。
雪城大學天體物理學家的新研究指出，恆星在首次接近黑洞前的自轉速度，這一先前被低估的特性，可能是解答。
該研究發表於《天體物理學期刊》，由博士生Ananya Bandopadhyay領導，與博士後研究員Benjamin Amend及副教授Eric Coughlin合作，皆隸屬物理系，並有其他機構合作者參與。
在標準潮汐撕裂事件（TDE）中，黑洞的引力從恆星一側到另一側差異極大，導致恆星被完全撕裂。
產生的恆星碎片開始向黑洞落下，稱為「吸積」。這些物質在失去能量的過程中，會釋放出持續數天到數月的光。
黑洞本身不會發光，但TDE暫時提供可照亮黑洞周圍區域的物質，讓天文學家間接研究原本無法觀測的天體。
並非每次遭遇都導致恆星完全毀滅。若恆星接近黑洞但未達完全撕裂門檻，僅失去部分質量，形成部分TDE。在重複部分TDE中，恆星殘存核心仍繞黑洞運行，並多次接近，每次都會剝離更多物質，這些過程可能相隔數月或數年。
為何某些黑洞閃光持續變暗
恆星在多次遭遇中失去的物質量部分取決於其內部結構。Bandopadhyay將低質量恆星比作鬆軟的蛋白霜，這類恆星更容易受黑洞潮汐力影響。
高質量恆星則不同，其物質更集中於核心，呈洋蔥般分層結構。它可能失去外層，但密集核心相對不變，導致每次遭遇失去的質量逐漸減少。
這些結構差異有助解釋為何並非所有rpTDEs演化相同。但有一觀察特別難以理解：在約10個已識別的重複系統中，有4個的閃光逐漸變暗。
看似合理的假設是，失去較少物質會產生較弱閃光。但先前的流體動力學模擬揭示了複雜性。即使恆星每次失去較少物質，模型仍預測閃光峰值亮度大致相同。
「我們為此困惑了兩年，」Bandopadhyay說。
他們先前的研究發現黑洞潮汐力的另一重要影響。除了拉扯物質外，潮汐力還施加扭矩，使恆星每次接近後自轉加速。
自轉加速改變了剝離物質回落黑洞的速度。雖然回落物質減少，但時間更集中，使峰值回落率維持相似，因而閃光亮度也大致相同。
快速自轉的恆星改變了局面
為了重現天文學家觀察到的逐漸變暗閃光，研究團隊需要Bandopadhyay所稱的「新元素」：恆星在首次接近黑洞前已快速自轉。
新模擬顯示，這樣的恆星在後續遭遇中無法大幅加速自轉。
缺乏顯著自轉增加，剝離物質回落黑洞所需時間相對穩定。
這改變了結果。隨著恆星逐漸失去較少物質，峰值回落率也下降，預測閃光隨著每次遭遇變暗，與觀測吻合。
這一發現引發另一問題：為何接近超大質量黑洞的恆星原本自轉如此快速？
「要讓恆星如此緊密繞著超大質量黑洞運行，週期僅數月，極為困難，但rpTDEs中似乎正是如此，」Coughlin說。
一種稱為希爾斯機制的過程，或許能解釋恆星快速自轉及其異常緊密軌道。
在此情境中，兩顆緊密繞行的恆星接近超大質量黑洞，黑洞引力撕裂雙星系統，一顆恆星被拋出，另一顆被捕獲繞黑洞運行。
非常緊密的雙星可能形成潮汐鎖定，即兩星自轉速率與繞行速率相同。雙星越緊密，軌道週期越短，潮汐鎖定恆星自轉越快。
為使捕獲恆星擁有rpTDEs中觀察到的短軌道，原始雙星系統必須極為緊密。這種緊密配置自然產生快速自轉且潮汐鎖定的恆星，然後被黑洞捕獲。
「Ananya的研究顯示，這些特殊現象都可由同一根本原因解釋：雙星系統被潮汐撕裂，並捕獲其中一顆恆星，」Coughlin說。「從理論角度看，這是我們理解這類系統物理過程的重要進展。」
與銀河系的可能關聯
此發現的影響或超越遙遠的重複閃光系統。Coughlin指出，希爾斯捕獲機制也可能解釋目前繞行銀河系中心超大質量黑洞人馬座A*的部分恆星。
若屬實，這同一機制不僅能解釋逐漸變暗的rpTDE閃光，也有助天文學家理解銀河系中心這片「我們的宇宙後院」中異常恆星族群的形成與演化。