[英国/北美] - [艾赫巴里通讯社]
无需超新星：仙女座恒星直接坍塌成黑洞
在一项挑战我们对恒星演化理解的非凡天体事件中，天文学家们在邻近的仙女座星系中发现了一颗大质量恒星直接坍塌成黑洞的有力证据，绕过了这类恒星死亡通常伴随的剧烈超新星爆炸。这一罕见现象，虽然长期以来被理论所预测，但在观测证据中却十分稀少，它隐藏在美国国家航空航天局（NASA）的近地小行星广域红外巡天探测器（NEOWISE）任务的档案数据中被发现。
这颗被命名为 M31-2014-DS1 的恒星，最早于 2014 年被 NEOWISE 观测到其红外亮度有所增加。然而，在最近一个研究团队在搜索变源的过程中仔细筛选 NEOWISE 的数据之前，这些关键的观测数据在海量数据集中一直未被注意到。他们细致的工作最终识别出了 M31-2014-DS1，这是一颗超巨星，其异常行为表明它直接坍塌成了一个黑洞。
另请阅读
这项研究成果发表在著名的《科学》（Science）杂志上，标题为“仙女座星系一颗大质量恒星因形成黑洞而消失”。研究由哥伦比亚大学天文学教授 Kishalay De 领导。研究团队检查了 2009 年至 2022 年间每六个月拍摄一次的仙女座星系（M31）的连续图像，以寻找瞬变事件。他们发现，M31-2014-DS1 在 2014 年开始的两年期间，其中红外流量增加了 50%。有趣的是，在亮度增加的这段时期之后，这颗恒星开始急剧变暗，一年内亮度就降至初始水平以下，并一直持续衰减到 2022 年。
首席研究员 De 在一份新闻稿中说：“这可能是我一生中最令人惊讶的发现。这颗恒星消失的证据就存在于公开的档案数据中，直到我们发现它之前，多年来没有人注意到。”
进一步的分析还利用了包括哈勃太空望远镜在内的其他地面和空间望远镜的数据。为该天体检索到的光学光变曲线显示，在 2016 年至 2019 年间，其亮度下降了约 100 倍。到 2023 年，在地面光学观测中已无法探测到该天体。哈勃望远镜 2022 年的成像显示没有可见光源，只有一个微弱的近红外（NIR）信号。 2023 年使用凯克天文台进行的后续观测证实了这一微弱的近红外源。
这种不寻常且持续的变暗强烈表明超新星没有发生。研究论文指出，大质量恒星的命运取决于核心坍塌过程中中微子相互作用的一个微妙平衡。当一颗大质量恒星耗尽其核燃料时，其核心会在引力作用下内爆。这种坍塌会触发大量中微子的释放，这些中微子预计会向外推动冲击波，导致恒星的外层在超新星爆发中被抛出。
然而，如果向外传播的冲击波不够强大，恒星的外层包层就无法被抛出，反而会落回坍塌的核心。据预测，这种情况将导致恒星质量黑洞的形成以及恒星在视野中完全消失，这个过程被称为“直接坍塌”。
M31-2014-DS1 的前身恒星最初的质量约为 13 倍太阳质量。到其死亡时，质量已减少到约 5 倍太阳质量，大部分损失的质量可能在其一生中通过强大的恒星风被排出。正如 De 所指出的，“质量为 13 倍太阳质量的恒星一直被认为总是会以超新星的形式爆炸。它没有爆炸的事实表明，相同质量的恒星可能成功爆炸，也可能不成功爆炸，这可能归因于引力、气体压力和强大的冲击波在垂死恒星内部如何以混乱的方式相互作用。”
相关新闻
另一个直接坍塌黑洞的候选者 N6946-BH1，于 2010 年在 NGC 6946 螺旋星系中被观测到，距离约 2500 万光年。虽然其行为相似——先是亮度增加然后变暗——但 N6946-BH1 的距离远得多，导致其观测数据不如 M31-2014-DS1 详细。这一新发现重新激发了对 N6946-BH1 的兴趣，并加强了直接坍塌事件的论据。
哈佛大学天文学讲师、论文合著者 Morgan MacLeod 评论道：“我们一直知道黑洞必须来自恒星。通过这两个新事件，我们正在目睹这一切发生，并在此过程中学到了大量关于这个过程如何运作的知识。”
M31-2014-DS1 的发现代表了一项重大成就，它源于有史以来对红外变源的最大规模研究。这些事件的稀有性，与超新星的显眼性形成鲜明对比，使得它们的探测极其困难。De 解释说：“与探测超新星不同，超新星很容易被发现，因为它们在几周内会比整个星系都亮，而寻找那些不产生爆炸就消失的单个恒星则非常困难。” 这些恒星消失的隐秘性质意味着，可能有更多类似的事件隐藏在天文档案中而不为人知。像 Vera C. Rubin Observatory 这样的设施进行的未来观测，有望发现更多此类事件，从而大大推进我们对大质量恒星死亡和黑洞形成的理解。
