仙女星系曾經(jīng)最明亮的恒星之一，如今卻看不見了

當一顆大質(zhì)量恒星（初始質(zhì)量≥10倍太陽質(zhì)量）走到生命末期時，其核心會塌縮并釋放中微子。這些中微子會驅(qū)動一股激波進入外層，即恒星包層。

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

在一項新發(fā)表于《科學(xué)》雜志的研究中，一個天文學(xué)家團隊發(fā)現(xiàn)一顆名為M31-2014-DS1的垂死恒星，在其生命終點未能以超新星的形式爆炸，而是坍縮成一個黑洞。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250萬光年。

研究人員在對這顆恒星的2005年至2023年間的觀測數(shù)據(jù)進行分析之后發(fā)現(xiàn)，2014年，它在中紅外波段開始變亮。隨后在2017年到2022年間，它在光學(xué)波段的亮度降至原來的萬分之一以下（從而變得不可探測），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，無法被直接看見；其周圍是一層向外擴張、遠離黑洞的塵埃殼，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，如今卻完全看不見了。這就好比如果有一天參宿四突然消失，那么所有人都會“瘋掉”。

研究人員將這些觀測與理論預(yù)測進行對比后得出結(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有力的證據(jù)。

被忽略的關(guān)鍵因素

對M31-2014-DS1的觀測與分析，使研究團隊能夠回過頭來重新解讀一顆類似恒星——NGC 6946-BH1——的觀測結(jié)果。由此，他們在理解一個關(guān)鍵問題上取得了重要突破：當恒星未能爆發(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，可能忽略了一個關(guān)鍵因素——對流。

對流是恒星內(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。這種差異會導(dǎo)致恒星內(nèi)部的氣體從較熱區(qū)域向較冷區(qū)域運動。當恒星核心坍縮時，由于這種對流作用，其外層氣體仍在快速運動。理論模型表明，這會阻止大部分外層物質(zhì)直接回落進去；相反，最內(nèi)側(cè)的物質(zhì)會在黑洞外繞行，并驅(qū)動對流區(qū)域最外側(cè)物質(zhì)的拋射。

被拋出的物質(zhì)在遠離黑洞周圍的高溫物質(zhì)時會逐漸冷卻。這些冷卻后的物質(zhì)在原子與分子結(jié)合時很容易形成塵埃。塵埃會遮蔽繞黑洞運行的熱氣體，使塵埃被加熱，并在紅外波段產(chǎn)生可觀測的增亮。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。

對流減緩回落

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

就像水會在浴缸排水口周圍旋轉(zhuǎn)、而不是筆直向下流動一樣，在這個新形成的黑洞周圍運動的氣體，即使被緩慢向內(nèi)拉拽，也仍會繼續(xù)沿著其混亂的軌道運行。因此，由對流引發(fā)的沉降受阻，阻止了整顆恒星直接坍縮進這個新生黑洞之中。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)也會在隨后數(shù)十年間緩慢回落。

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

完善黑洞誕生圖景

這項研究通過將對M31-2014-DS1的最新觀測與十余年的檔案數(shù)據(jù)相結(jié)合，驗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)量恒星在死亡時會變成黑洞，而有些則不會。

#參考來源：

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

#圖片來源：

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