仙女座星系M31。T. Rector / B. Wolpa / NOAO / AURA / NSF

我們知道恒星也是有壽命的。低質(zhì)量恒星會緩慢熄滅；中等質(zhì)量的恒星（如太陽）會先變成行星狀星云，然后變成白矮星，最后緩慢熄滅，成為所謂的黑矮星；而質(zhì)量至少相當(dāng)于8個(gè)太陽的大質(zhì)量恒星會在生命的盡頭爆炸，變成超新星——在幾個(gè)月之內(nèi)，它的亮度會超過整個(gè)星系恒星亮度的總和，絢爛無比——并在最后留下一個(gè)黑洞或中子星。

但是，天文學(xué)家也曾發(fā)現(xiàn)過一些不動聲色就突然消失的恒星。由于毫無征兆，連研究起來也相當(dāng)困難。

近日以麻省理工學(xué)院卡夫利天體物理學(xué)和空間研究所Kishalay De為首的一批學(xué)者，對M31星系（仙女座星系）內(nèi)一顆大質(zhì)量超巨星神秘消失的過程進(jìn)行了研究。他們認(rèn)為，這顆恒星實(shí)際上是未經(jīng)歷爆發(fā)，就悄然變成了黑洞。

研究人員注意到，這顆編號為M31-2014-DS1的恒星在2014年時(shí)曾被人在中紅外波段上拍到，且相當(dāng)明亮。其亮度相當(dāng)穩(wěn)定，維持了大約1000天。而從2016年開始直至2019年，它的亮度衰退得相當(dāng)明顯，且這種衰退無法用M31-2014-DS1的變星特性來解釋。到了2023年，天文學(xué)家在可見光和近紅外波段上都已經(jīng)無法找到M31-2014-DS1的蹤影。

研究人員表示，這顆恒星在誕生時(shí)的初始質(zhì)量大約相當(dāng)于20個(gè)太陽，而當(dāng)它進(jìn)入晚期核燃燒階段時(shí)，質(zhì)量只相當(dāng)于大約6.7個(gè)太陽。觀測結(jié)果顯示，恒星周圍存在一個(gè)新近才被拋出的塵埃殼，符合超新星爆發(fā)的行為特征，但卻沒有發(fā)現(xiàn)任何可見光爆發(fā)的證據(jù)。

M31-2014-DS1亮度衰退的顯著性和持續(xù)性，在進(jìn)入演化晚期的大質(zhì)量恒星中是罕見的。其亮度的突然衰減暗示其內(nèi)部的核燃燒發(fā)生了終結(jié)，且由外向內(nèi)塌落的物質(zhì)壓制了由內(nèi)向外產(chǎn)生的沖擊波。而通常的超新星爆發(fā)產(chǎn)生的沖擊波總是很強(qiáng)大，能夠完全壓制向內(nèi)塌落的物質(zhì)。換而言之，M31-2014-DS1是一顆失敗的超新星。

那究竟是一種什么樣的力量，能夠阻止一顆超新星完成它的爆發(fā)，即使它的質(zhì)量在理論上已經(jīng)足夠大呢？

超新星爆發(fā)是一種復(fù)雜的事件。其坍縮內(nèi)核的密度之高可以用極端來形容：在那里，電子會被迫與質(zhì)子結(jié)合在一起，形成中子，并釋放出中微子。這一過程被稱為中子化，它能導(dǎo)致強(qiáng)大的中微子爆發(fā)，其攜帶的能量相當(dāng)于恒星剩余質(zhì)量的10%，形成所謂的中微子沖擊。

中微子是中性的，且很少與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用。每秒有大約4000億個(gè)來自太陽的中微子穿越我們的身體。在致密的恒星內(nèi)核，中微子的密度更是高得嚇人——在那里，部分中微子會將它們的能量轉(zhuǎn)移到周圍的恒星物質(zhì)中，使物質(zhì)升溫，進(jìn)而產(chǎn)生沖擊波。

中微子沖擊時(shí)常會“失速”，但有時(shí)又能重新獲得速度。如果它重新獲得速度，就會引起爆發(fā)，將超新星的外層拋得老遠(yuǎn)；但是如果它沒有重新獲得速度，沖擊波就會失能，導(dǎo)致恒星坍縮成黑洞。

研究人員認(rèn)為，在M31-2014-DS1內(nèi)部，中微子沖擊沒有能夠重新獲得速度。研究人員在估算了恒星的實(shí)際拋出物總量后發(fā)現(xiàn)，它遠(yuǎn)低于理論上超新星爆發(fā)應(yīng)當(dāng)拋出的物質(zhì)總量。這表明大部分恒星物質(zhì)（大約相當(dāng)于5個(gè)太陽的質(zhì)量）向內(nèi)塌落到了它的內(nèi)核上，而這超出了中子星的質(zhì)量上限。最終恒星以其98%的總質(zhì)量，坍縮成了一個(gè)質(zhì)量大約相當(dāng)于6.5個(gè)太陽的黑洞。

M31-2014-DS1并非天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的唯一失敗超新星候選者。失敗的超新星非常難以研究，因?yàn)橐R別它們，是要通過沒有發(fā)生的事件，而不是發(fā)生了的事件。超新星很容易識別，因?yàn)樗鼈儤O為明亮，且出現(xiàn)得非常突然。即便是古代天文學(xué)家也目擊過不少。

除了M31-2014-DS1之外僅有的一顆被確認(rèn)的失敗超新星發(fā)現(xiàn)于2009年。那是一顆紅超巨星，位于NGC 6946，也就是所謂的焰火星系。這顆超新星被命名為N6946-BH1，其質(zhì)量大約相當(dāng)于25個(gè)太陽。2009年，它的亮度一度增加到了太陽的100萬倍；但到了2015年，它在可見光譜上已經(jīng)徹底消失，只剩下了一點(diǎn)昏暗的紅外輝光。

針對27個(gè)鄰近星系的監(jiān)測結(jié)果顯示，20%至30%的大質(zhì)量恒星會在生命終結(jié)時(shí)變成失敗的超新星，但迄今為止被確認(rèn)的只有這兩顆。

參考
The disappearance of a massive star marking the birth of a black hole in M31
https://arxiv.org/abs/2410.14778