文學家首次完整記錄恒星塌縮成黑洞的全過程

天文學家目睹了一顆垂死恒星未能爆發成超新星，而是直接塌縮成黑洞的罕見過程。這一非凡的觀測成為迄今為止記錄恒星轉變為黑洞最完整的觀測記錄，使天文學家能夠構建該過程的全面物理圖景。

這顆已經"死亡"的恒星名為M31-2014-DS1，距離地球約250萬光年，位于鄰近的仙女座星系中。來自西蒙斯基金會弗拉蒂龍研究所的副研究員基沙萊·德領導的研究團隊，結合近期觀測數據與十多年的檔案資料，確認并完善了這類大質量恒星轉變為黑洞的理論模型。研究結果已發表在《科學》期刊上，這一發現正引發廣泛關注，為揭示黑洞神秘起源提供了難得一瞥。

研究團隊分析了從2005年到2023年期間，美國宇航局NEOWISE項目以及其他地基和太空望遠鏡對該恒星的測量數據。他們發現，M31-2014-DS1的紅外光在2014年開始變亮，隨后在2016年迅速暗淡，僅用一年時間就遠低于其原始光度。2022年和2023年的觀測顯示，這顆恒星在可見光和近紅外波段基本消失，亮度降至原來的萬分之一。目前它的殘留物只能在中紅外波段探測到，亮度僅為之前的十分之一。

德表示:"這顆恒星曾是仙女座星系中最明亮的恒星之一，但現在它卻無處可尋。想象一下如果參宿四突然消失，每個人都會瘋掉!同樣的事情就發生在仙女座星系的這顆恒星身上。"將這些觀測數據與理論預測進行比對后，研究人員得出結論，該恒星戲劇性地暗淡至其原始總亮度的極小部分，這為其核心塌縮并形成黑洞提供了有力證據。

恒星在核心將氫聚變成氦，這一過程產生向外的壓力以平衡引力持續不斷的向內拉力。當質量約為太陽10倍或以上的大質量恒星開始耗盡燃料時，向內和向外力量之間的平衡被打破。引力開始壓縮恒星，其核心首先屈服形成中心的致密中子星。通常情況下，這一過程中中微子的釋放會產生強大的沖擊波，足以在超新星爆發中撕裂大部分核心和外層。然而，如果中微子驅動的沖擊波未能將恒星物質推出，理論長期以來認為大部分恒星物質會回落到中子星中，形成黑洞。

對M31-2014-DS1的觀測和分析使團隊能夠重新解釋對類似恒星NGC 6946-BH1的觀測，這導致在理解恒星外層在未能爆發成超新星并塌縮成黑洞后發生了什么方面取得重要突破。被忽視的關鍵要素是對流。對流是恒星內部巨大溫差的副產品。靠近恒星中心的物質極其熾熱，而外圍區域則冷得多，這種溫差導致恒星內的氣體從較熱區域移向較冷區域。

當恒星核心塌縮時，其外層的氣體由于對流仍在快速運動。弗拉蒂龍研究所天文學家開發的理論模型顯示，這阻止了大部分外層直接落入黑洞;相反，最內層在黑洞外圍運行，并驅動對流區最外層的拋射。共同作者、弗拉蒂龍研究員安德烈亞·安東尼此前開發了這些對流模型的理論預測。她表示:"吸積率——物質落入的速率——比恒星直接內爆要慢得多。這種對流物質具有角動量，因此它在黑洞周圍環繞。它不是在幾個月或一年內落入，而是需要幾十年。正因為如此，它成為比原本更明亮的光源，我們觀測到原始恒星暗淡過程中的長時間延遲。"

類似于水在浴缸排水口周圍打旋而不是直接流下，圍繞這個新形成黑洞運動的氣體即使在緩慢被向內拉扯時，也繼續其混亂的軌道運行。因此，對流產生的停滯內落阻止了整個恒星直接塌縮進新生黑洞。研究人員估計，只有約百分之一的原始恒星包層氣體落入黑洞，為其今天發出的光提供能量。

在分析M31-2014-DS1的觀測數據時，德和他的團隊還重新評估了10年前歸類的類似恒星NGC 6946-BH1。在新論文中，他們提出了有力證據解釋為何這顆恒星遵循類似模式。德說，M31-2014-DS1最初看起來是個"怪胎"，但現在看來它只是包括NGC 6946-BH1在內的一類天體中的一員。德表示:"只有通過這些單獨的發現珍寶，我們才開始拼湊出這樣的圖景。新生黑洞周圍塵埃碎片發出的光，在詹姆斯·韋伯太空望遠鏡這樣的望遠鏡靈敏度水平下，將在未來幾十年都可見，因為它會繼續非常緩慢地衰減。這最終可能成為理解宇宙中恒星黑洞如何形成的基準。"