仙女星系曾經(jīng)最明亮的恒星之一，如今卻看不見(jiàn)了

當(dāng)一顆大質(zhì)量恒星（初始質(zhì)量≥10倍太陽(yáng)質(zhì)量）走到生命末期時(shí)，其核心會(huì)塌縮并釋放中微子。這些中微子會(huì)驅(qū)動(dòng)一股激波進(jìn)入外層，即恒星包層。

如果激波足夠強(qiáng)，恒星包層就會(huì)被拋射出去，從而產(chǎn)生可觀測(cè)的超新星；但如果由中微子驅(qū)動(dòng)的激波沒(méi)能將恒星物質(zhì)拋射出去，那么根據(jù)理論的預(yù)測(cè)：恒星物質(zhì)的大部分都會(huì)回落到正在坍縮的核心上，形成一個(gè)恒星質(zhì)量黑洞，并導(dǎo)致這顆恒星從視野中消失。

在一項(xiàng)新發(fā)表于《科學(xué)》雜志的研究中，一個(gè)天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)一顆名為M31-2014-DS1的垂死恒星，在其生命終點(diǎn)未能以超新星的形式爆炸，而是坍縮成一個(gè)黑洞。研究結(jié)果提供了迄今最有力的證據(jù)之一，表明所謂的“失敗超新星”能夠形成恒星質(zhì)量黑洞。

從變亮到“消失”

M31-2014-DS1是一顆位于仙女星系中的“缺氫”超巨星，距離地球約250萬(wàn)光年。

研究人員在對(duì)這顆恒星的2005年至2023年間的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后發(fā)現(xiàn)，2014年，它在中紅外波段開(kāi)始變亮。隨后在2017年到2022年間，它在光學(xué)波段的亮度降至原來(lái)的萬(wàn)分之一以下（從而變得不可探測(cè)），而其總光度也降至先前的十分之一以下。

一顆恒星坍縮并形成黑洞。黑洞位于中心，無(wú)法被直接看見(jiàn)；其周圍是一層向外擴(kuò)張、遠(yuǎn)離黑洞的塵埃殼，以及被黑洞向內(nèi)牽引、正朝其落入的氣體。（視頻/Keith Miller, Caltech/IPAC – SELab）

M31-2014-DS1曾是仙女星系中最明亮的恒星之一，如今卻完全看不見(jiàn)了。這就好比如果有一天參宿四突然消失，那么所有人都會(huì)“瘋掉”。

研究人員將這些觀測(cè)與理論預(yù)測(cè)進(jìn)行對(duì)比后得出結(jié)論：這顆恒星亮度的驟降，為其核心坍縮并變成黑洞提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。

被忽略的關(guān)鍵因素

對(duì)M31-2014-DS1的觀測(cè)與分析，使研究團(tuán)隊(duì)能夠回過(guò)頭來(lái)重新解讀一顆類似恒星——NGC 6946-BH1——的觀測(cè)結(jié)果。由此，他們?cè)诶斫庖粋€(gè)關(guān)鍵問(wèn)題上取得了重要突破：當(dāng)恒星未能爆發(fā)成超新星、而是坍縮成黑洞之后，原本包裹著恒星的外層物質(zhì)究竟經(jīng)歷了什么變化。

他們指出，在此前的類似研究中，可能忽略了一個(gè)關(guān)鍵因素——對(duì)流。

對(duì)流是恒星內(nèi)部巨大溫差的副產(chǎn)物。靠近恒星中心的物質(zhì)極其熾熱，而外層區(qū)域則要冷得多。這種差異會(huì)導(dǎo)致恒星內(nèi)部的氣體從較熱區(qū)域向較冷區(qū)域運(yùn)動(dòng)。當(dāng)恒星核心坍縮時(shí)，由于這種對(duì)流作用，其外層氣體仍在快速運(yùn)動(dòng)。理論模型表明，這會(huì)阻止大部分外層物質(zhì)直接回落進(jìn)去；相反，最內(nèi)側(cè)的物質(zhì)會(huì)在黑洞外繞行，并驅(qū)動(dòng)對(duì)流區(qū)域最外側(cè)物質(zhì)的拋射。

被拋出的物質(zhì)在遠(yuǎn)離黑洞周圍的高溫物質(zhì)時(shí)會(huì)逐漸冷卻。這些冷卻后的物質(zhì)在原子與分子結(jié)合時(shí)很容易形成塵埃。塵埃會(huì)遮蔽繞黑洞運(yùn)行的熱氣體，使塵埃被加熱，并在紅外波段產(chǎn)生可觀測(cè)的增亮。這種揮之不去的紅色余輝，在恒星本身消失后的幾十年里仍然可見(jiàn)。

對(duì)流減緩回落

研究人員此前已經(jīng)為這些對(duì)流模型建立了理論預(yù)測(cè)。借助來(lái)自M31-2014-DS1的觀測(cè)證據(jù)，他們認(rèn)為，吸積率——也就是物質(zhì)回落的速率——比恒星直接向內(nèi)塌陷時(shí)要慢得多。這些發(fā)生對(duì)流的物質(zhì)具有角動(dòng)量，因此會(huì)在黑洞周圍形成近似環(huán)繞的運(yùn)動(dòng)。它不是在幾個(gè)月或一年內(nèi)回落，而是需要幾十年。正因?yàn)檫@些原因，它會(huì)成為一個(gè)比其他情況下更明亮的光源，而使得觀測(cè)到的原始恒星的變暗出現(xiàn)了很長(zhǎng)的延遲。

就像水會(huì)在浴缸排水口周圍旋轉(zhuǎn)、而不是筆直向下流動(dòng)一樣，在這個(gè)新形成的黑洞周圍運(yùn)動(dòng)的氣體，即使被緩慢向內(nèi)拉拽，也仍會(huì)繼續(xù)沿著其混亂的軌道運(yùn)行。因此，由對(duì)流引發(fā)的沉降受阻，阻止了整顆恒星直接坍縮進(jìn)這個(gè)新生黑洞之中。相反，研究人員提出：即使核心迅速向內(nèi)塌陷之后，部分向外流出的物質(zhì)也會(huì)在隨后數(shù)十年間緩慢回落。

研究人員估計(jì)，原始恒星包層氣體中只有約1%會(huì)落入黑洞，為如今從黑洞發(fā)出的光提供能量。

完善黑洞誕生圖景

這項(xiàng)研究通過(guò)將對(duì)M31-2014-DS1的最新觀測(cè)與十余年的檔案數(shù)據(jù)相結(jié)合，驗(yàn)證并完善了此類大質(zhì)量恒星如何演化成黑洞的理論模型。這一成果引發(fā)了廣泛的關(guān)注，并有助于我們更好地理解，為何有些大質(zhì)量恒星在死亡時(shí)會(huì)變成黑洞，而有些則不會(huì)。

#參考來(lái)源：

https://www.simonsfoundation.org/2026/02/12/caught-in-the-act-astronomers-watch-a-vanishing-star-turn-into-a-black-hole/

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt4853

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：Keith Miller, Caltech/IPAC – SELab