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科学家可能已观测到恒星不经爆炸直接坍缩成黑洞
在一项有望重新定义我们对恒星演化理解的重大发现中，天文学家们可能已经观测到仙女座星系中的一颗大质量恒星直接坍缩成黑洞，而没有首先发生超新星爆炸。这项罕见的宇宙事件，在一项发表在著名期刊《科学》上的新研究中详细阐述，为一种长期以来被理论模型预测但很少被直接观测到的现象提供了关键的观测证据。
这颗被命名为M31-2014-DS1的恒星是位于我们邻近星系仙女座星系中的一颗超巨星。这项发现的旅程始于2014年，当时美国宇航局的近地天体广域红外巡天探测器（NEOWISE）望远镜探测到这颗恒星在红外光度上有所增加。这些观测数据在档案中沉睡了多年，直到哥伦比亚大学天文学教授Kishalay De领导的一个天文学家团队开始筛选NEOWISE的庞大数据集，寻找可变光源。他们细致的工作揭示了M31-2014-DS1的异常行为。
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研究团队仔细分析了2009年至2022年间每六个月拍摄的仙女座星系（M31）的连续图像。他们的发现表明，从2014年开始的两年内，M31-2014-DS1的中红外通量显著增加了50%。在这一强光期之后，这颗恒星迅速变暗，在一年内下降到其初始通量以下，并持续变暗直到2022年。到2023年，该天体在地面光学观测中已无法检测到；甚至哈勃太空望远镜在2022年也没有在光学光谱中发现任何东西，只探测到一个微弱的近红外源。2023年使用凯克望远镜进行的后续观测和光谱分析证实了这一微弱的近红外存在。
这种戏剧性且持续的衰退，而非爆炸性的消亡，是直接坍缩黑洞的标志。通常，大质量恒星以壮观的超新星爆炸结束其生命，暂时亮度超过整个星系。然而，M31-2014-DS1的悄然消失暗示了通往黑洞的不同、更难以捉摸的路径。“这可能是我一生中最令人惊讶的发现，”主要作者De在新闻稿中表示。“恒星消失的证据躺在公共档案数据中，多年来没有人注意到，直到我们把它找出来。”
这种直接坍缩背后的机制是复杂的，取决于引力、气体压力和垂死恒星内部强大冲击波的相互作用。根据理论模型，当一颗大质量恒星的核心坍缩时，它会释放出大量的中微子，这些中微子会产生一股穿过恒星外层（即恒星包层）的冲击波。如果这股冲击波足够强大，它就会将包层喷射出去，导致超新星。然而，如果冲击波未能喷射出包层，物质预计会落回坍缩的核心，形成一个恒星质量黑洞，并导致恒星直接消失。
M31-2014-DS1估计最初拥有大约13个太阳质量，但通过强大的恒星风损失了大部分质量，在其消亡时减少到大约5个太阳质量。“长期以来，人们一直认为这种质量的恒星总是会以超新星的形式爆炸，”De解释说。“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，这可能是由于引力、气体压力和强大的冲击波在垂死恒星内部以混沌的方式相互作用。”这一发现挑战了传统观念，并强调了恒星死亡的复杂且有时不可预测的性质。
虽然这是一项开创性的观测，但并非完全没有先例。天文学家已经确定了另一个直接坍缩黑洞的候选者N6946-BH1，该天体于2010年在NGC 6946星系中被观测到。然而，M31-2014-DS1距离我们近大约十倍，提供了更高质量的观测数据，这使得这项新发现特别具有影响力。哈佛大学天文学讲师、该论文的合著者Morgan MacLeod强调了其重要性：“我们知道黑洞必须来自恒星。通过这两个新事件，我们正在观察它的发生，并在此过程中学习到关于这一过程如何运作的大量知识。”
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探测这些事件的难度凸显了它们的稀有性和现代天文学的挑战。与超新星不同，超新星因其巨大的亮度而容易被发现，直接坍缩黑洞则更加难以捉摸。“与寻找超新星不同，超新星很容易找到，因为超新星会在几周内超越整个星系的光芒，而寻找那些没有发生爆炸就消失的单个恒星则异常困难，”De指出。这一发现表明，许多此类事件可能正在宇宙中悄然发生，未被察觉。现在的问题转向了它们的普遍性以及还有多少沉默的恒星死亡等待被发现。未来的天文台，如维拉·鲁宾天文台及其为期十年的空间与时间遗产巡天，预计将在扩大这些神秘的直接坍缩黑洞样本方面发挥关键作用，进一步推进我们对宇宙中最极端恒星命运的理解。
