天文學家直接觀察到一顆巨大的垂死恆星跳過了超新星爆炸，而是坍縮成黑洞。這一事件提供了迄今為止對正在經歷這一轉變的恆星進行的最詳細的觀測，使研究人員能夠對恆星黑洞的形成過程有了異常全面的了解。
透過將新的望遠鏡數據與十多年的存檔觀測相結合，科學家們能夠測試並完善關於最大質量恆星如何結束生命的長期理論。這顆恆星的核心並沒有在一顆明亮的超新星中向外爆炸，而是在重力作用下分解並形成了一個黑洞。在此過程中，其不穩定的外層逐漸脫落。
調查結果於2月12日發表 科學之所以引起人們的關注，是因為它們讓我們難得一睹黑洞的誕生。這些結果可能有助於解釋為什麼一些大質量恆星在生命結束時會劇烈爆炸，而另一些則會悄悄崩潰。
「這只是故事的開始，」西蒙斯基金會熨斗研究所的研究員、這項新研究的主要作者基沙拉伊·德說。他說，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等望遠鏡的靈敏度水平上幾十年內都可以看到，因為它會繼續非常緩慢地消退。這可能是了解宇宙中恆星黑洞如何形成的線索。”
仙女座 M31-2014-DS1 的滅絕
這顆恆星被稱為 M31-2014-DS1，距離仙女座星系 250 萬光年。 De 和同事分析了 2005 年至 2023 年 NASA NEOWISE 任務以及其他地面和太空望遠鏡收集的數據。這顆恆星於 2014 年被發現在紅外光下發光。然後，在 2016 年，它的光澤在不到一年的時間內大幅下降。
到 2022 年和 2023 年，這顆恆星在可見光和近紅外線波長中幾乎消失，這些波段的亮度僅為以前的千分之一。剩下的東西現在只能在中紅外光中檢測到，它的發光強度約為原始強度的十分之一。
德說：“這顆恆星曾經是仙女座星系中最亮的恆星之一，現在卻不見了踪影。想像一下，如果參宿四突然消失，所有人都會失去理智！同樣的事情也發生在仙女座星系的這顆恆星上。”
當研究小組將觀測結果與理論預測進行比較時，他們得出的結論是，亮度的極端下降強烈表明恆星的核心塌陷並形成了黑洞。
為什麼有些大質量恆星不會爆炸
恆星之所以發光，是因為其核心的核融合將氫變成氦，產生對抗重力的壓力。在質量至少是太陽十倍的恆星中，當核燃料耗盡時，這種平衡最終會被打破。然後重力克服外部壓力，導致核心塌陷並形成緻密的中子星。
在許多情況下，塌縮過程中釋放的大量中微子會產生強大的衝擊波，將恆星分裂成超新星。但如果衝擊波太弱而無法噴射周圍的物質，那麼恆星的大部分就會向內塌陷。理論模型長期以來一直表明這種反沖可能會將中子星變成黑洞。
“我們知道黑洞存在了近 50 年，”De 說，“但我們幾乎沒有弄清楚哪些恆星會變成黑洞，以及它們是如何變成黑洞的。”
對流的重要作用
對 M31-2014-DS1 的詳細研究也幫助研究人員修正了十年前發現的類似物體 NGC 6946-BH1。重新檢視這兩個案例揭示了一個關鍵的缺失部分，對於理解超新星失敗後恆星外層發生的情況來說是一個關鍵的缺失部分。答案在於對流。
對流是由恆星內部的巨大溫差產生的。核心非常熱，而外層則涼爽得多。這種對比迫使氣體在較溫暖的區域和較冷的區域之間循環。
當核心塌陷時，由於這種破碎過程，外部氣體仍在移動。根據熨斗研究所開發的模型，這種運動可以防止大部分外部物質直接沉入黑洞。相反，有些內層圍繞著黑洞，而外層則被向外推。
當噴射的材料移開時，它會冷卻。在較低溫度下，原子和分子結合形成灰塵。這些塵埃阻擋了來自靠近黑洞的較熱氣體的光，吸收能量並在紅外線波長處折射它。結果是產生持續的紅光，在原始恆星消失後仍能持續數十年。
合著者兼 Flatiron 研究員 Andrea Antoni 發展了這些對流模型背後的理論架構。他說，根據新的觀測結果，“吸積率——物質落入的速度——比恆星直接內爆要慢得多。這種對流物質具有角動量，因此它繞黑洞運行。使原始恆星變暗不需要一個月或一年的時間，而是需要幾十年的時間。”
就像水從排水溝裡掉下來一樣，隨著重力逐漸將其向內拉，氣體繼續包圍新形成的黑洞。這種延遲塌縮意味著整個恆星不會立即塌縮。即使在迅速離開核心後，有些物質也會在幾十年內緩慢衰變。
研究人員認為，只有恆星原始外周的百分之一最終為黑洞提供能量，產生至今仍可見的微弱光。
建立黑洞形成的更大圖景
在研究了M31-2014-DS1之後，團隊也研究了NGC 6946-BH1。這項新研究提供了強有力的證據，證明這兩顆恆星遵循了相似的道路。起初看似不尋常的情況現在似乎是更廣泛的純超新星類別的一部分，這些超新星悄悄地產生了黑洞。
De 說，M31-2014-DS1 最初被選為“奇怪的”，但現在它似乎是例子之一，包括 NGC 6946-BH1。
「只有透過這些單獨的發現寶石，我們才能開始拼湊出這樣一幅圖畫，」迪伊說。
