天文学家首次目睹恒星静默坍缩成黑洞

邻近仙女座星系中的一颗大质量恒星就这样从视野中消失了——它并非像科学家预期的那样以璀璨的超新星爆发告终，而是通过静悄悄的坍缩直接变成了黑洞。这项发现于周四发表在《科学》杂志上，为某些垂死恒星如何在没有任何宇宙烟火表演的情况下变成黑洞提供了迄今最清晰的观测证据。

十年暗淡之路

这颗编号为 M31-2014-DS1 的恒星，曾是仙女座星系中最明亮的恒星之一，其亮度大约是太阳的 10 万倍。由西蒙斯基金会弗拉蒂伦研究所和哥伦比亚大学的天体物理学家 Kishalay De 领导的研究团队，在筛查 NASA 已退役的 NEOWISE 任务的档案数据时，发现这颗恒星的红外光在 2014 年开始变亮。

然后就出现了戏剧性的暗淡。到 2016 年，这颗恒星迅速变暗，亮度低于其原始光度。2022 年和 2023 年的观测显示，它在可见光和近红外波段基本消失了，亮度仅为原来的万分之一。

“我记得当我们将望远镜对准这颗恒星的那一刻——结果那颗恒星根本不在了，”De 在接受 Space.com 采访时说。“像这样明亮、质量如此巨大的恒星，不会无缘无故地消失在黑暗中”。

对流导致缓慢消亡

研究团队开发了理论模型，解释了为什么恒星的外层没有立即坍缩进新生的黑洞。关键因素是对流——恒星内部热气体的运动，这是由其核心与外层区域之间巨大的温度差异引起的。

当恒星核心坍缩成一个约五倍太阳质量的黑洞时，外层气体从这种对流中保留了足够的动量，阻止了直接向内坠落。相反，这些物质形成了一个旋转的吸积盘，像水在浴缸排水口周围打旋一样缓慢地螺旋进入黑洞。

“物质不是在几个月或一年内落入黑洞，而是需要几十年的时间，”共同作者、开发了这些理论模型的弗拉蒂伦研究员安德烈亚·安东尼说。“正因为如此，它成为了一个比原本更明亮的光源”。

重新思考黑洞的形成

这一发现挑战了关于哪些恒星会变成黑洞的普遍假设。M31-2014-DS1 仅有太阳质量的 13 倍，比科学家们认为发生这种类型坍缩所需的质量要小——此前认为至少需要 16 个太阳质量。

De 说：“像这样的观测开始最终改变这个长期存在的范式，即只有质量非常大的恒星才会变成黑洞。”如果得到证实，“这真的意味着宇宙中存在的黑洞数量远比我们迄今为止预期的要多得多”。

这个天体残骸微弱的红外光芒在未来几十年内仍能被包括 NASA 詹姆斯·韦布太空望远镜在内的望远镜观测到，因为剩余碎片会持续向内坠落。研究人员表示，这一标志性观测可能会从根本上重塑我们对恒星演化的理解，并有助于解释引力波观测站探测到的那些质量出乎意料大的黑洞。