連超新星爆發(fā)都省了！科學(xué)家首次觀測(cè)到恒星直接坍縮成黑洞

今年2月12日，《科學(xué)》雜志發(fā)表了一項(xiàng)重磅天文發(fā)現(xiàn)：美國(guó)加州理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)十余年的持續(xù)監(jiān)測(cè)，首次完整觀測(cè)到仙女座星系中名為M31-2014-DS1的大質(zhì)量恒星，這個(gè)恒星的奇特之處在于未經(jīng)歷超新星爆發(fā)便直接坍縮成了黑洞，驗(yàn)證了大質(zhì)量恒星演化理論的關(guān)鍵一環(huán)，相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自NASA NEOWISE項(xiàng)目及多臺(tái)地面、空間望遠(yuǎn)鏡。

在宇宙的“恒星生死簿”里，大質(zhì)量恒星的落幕多是一場(chǎng)轟轟烈烈的超新星爆發(fā)——就像宇宙放的巨型煙花，亮度能照亮整個(gè)星系，還會(huì)留下中子星或黑洞的“遺骸”。但M31-2014-DS1偏不走尋常路，在256萬(wàn)光年外的仙女座星系，上演了一場(chǎng)悄無(wú)聲息的“消失秀”，讓天文學(xué)家直呼“刷新認(rèn)知”。

這顆恒星的“最后時(shí)光”被望遠(yuǎn)鏡清晰記錄：2014年起，它的紅外輻射突然異常增亮，像是在生命盡頭發(fā)出的最后一次“閃光”；沒(méi)想到兩年后的2016年，它的亮度開(kāi)始斷崖式下跌，整個(gè)變暗過(guò)程還不到一年，速度快得超出常規(guī)恒星演化規(guī)律。

到了2022-2023年，這顆恒星徹底“隱身”：可見(jiàn)光和近紅外波段基本看不到它的蹤跡，亮度只剩原先的萬(wàn)分之一，僅在中紅外波段留了點(diǎn)微弱信號(hào)，亮度也跌到之前的十分之一 。如果說(shuō)普通恒星的死亡是“盛大告別”，那它的死亡就是“默默退場(chǎng)”。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)比十余年的觀測(cè)數(shù)據(jù)和理論模擬，終于揭開(kāi)了它消失的謎底：這顆恒星的核心發(fā)生了引力坍縮，直接變成了黑洞，連超新星爆發(fā)的“環(huán)節(jié)”都省了。這背后的物理原理，說(shuō)起來(lái)其實(shí)很有趣：正常情況下，大質(zhì)量恒星耗盡核燃料后，核心會(huì)先坍縮成中子星，爆發(fā)產(chǎn)生的向外激波會(huì)把外層物質(zhì)拋射出去，這就是超新星爆發(fā)。

但如果激波“沒(méi)力氣”，拋射不動(dòng)外層物質(zhì)，這些物質(zhì)就會(huì)掉回中子星，讓中子星“增重”后進(jìn)一步坍縮，最終形成黑洞。此前這只是理論預(yù)測(cè)，而M31-2014-DS1的觀測(cè)數(shù)據(jù)，首次給這個(gè)理論補(bǔ)上了“實(shí)錘”。

更有意思的是，研究還發(fā)現(xiàn)恒星外層的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，在這場(chǎng)“無(wú)聲坍縮”里扮演了“關(guān)鍵配角”。核心坍縮后，外層的高溫氣體并沒(méi)有乖乖墜入黑洞，而是在對(duì)流作用下劇烈“翻騰”，擋住了內(nèi)層物質(zhì)的“下墜路”；內(nèi)層物質(zhì)只能繞著黑洞慢慢轉(zhuǎn)圈，一點(diǎn)點(diǎn)被吸入。據(jù)估算，最終只有約1%的恒星包層物質(zhì)掉進(jìn)了黑洞，其余的都在宇宙中慢慢耗散，相當(dāng)于這顆恒星給自己造的黑洞“喂飯”后還留了九成九，一點(diǎn)都不“慷慨”。

這一發(fā)現(xiàn)不僅解鎖了恒星死亡的新方式，還讓天文學(xué)家重新認(rèn)識(shí)了十年前的一個(gè)“宇宙疑案”。研究團(tuán)隊(duì)回頭分析了2009年發(fā)現(xiàn)的NGC 6946-BH1恒星，它也曾出現(xiàn)異常變亮后消失的特征，此前一直是個(gè)未解之謎，如今結(jié)合M31-2014-DS1的研究，確認(rèn)它應(yīng)該也是直接坍縮成黑洞的天體。

這意味著，這種“不爆炸直接成黑洞”的恒星，可能并不是宇宙中的“孤例”，而是一類此前被忽略的恒星死亡形式，據(jù)推測(cè)，或許有20%-30%的大質(zhì)量恒星會(huì)以這種方式落幕 。

為什么這個(gè)發(fā)現(xiàn)能讓天文界為之沸騰？因?yàn)樗粌H驗(yàn)證并完善了大質(zhì)量恒星坍縮成黑洞的理論模型，還為解開(kāi)黑洞起源的謎題提供了關(guān)鍵線索。在此之前，人類對(duì)黑洞的形成大多是“理論推測(cè)”，而這次是“全程觀測(cè)”，相當(dāng)于拿到了恒星變黑洞的“高清錄像”。

更重要的是，新生黑洞周圍的塵埃碎屑會(huì)發(fā)出數(shù)十年的紅外輻射，這就給了天文學(xué)家長(zhǎng)期研究的機(jī)會(huì)。未來(lái)借助韋布空間望遠(yuǎn)鏡等先進(jìn)設(shè)備，科學(xué)家可以對(duì)這類天體持續(xù)監(jiān)測(cè)，建立起恒星黑洞形成的“觀測(cè)基準(zhǔn)”，就像給宇宙制定了一份“恒星變黑洞的參考手冊(cè)”。

從宇宙尺度來(lái)看，M31-2014-DS1的消失，只是250萬(wàn)光年外的一次微小宇宙事件，但對(duì)人類來(lái)說(shuō)，卻是探索宇宙規(guī)律的一大步。它讓我們知道，宇宙的精彩遠(yuǎn)超出理論想象，恒星的死亡不止有“煙花綻放”，還有“悄然落幕”。而隨著天文觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，或許未來(lái)還會(huì)發(fā)現(xiàn)更多宇宙的“小驚喜”，讓我們對(duì)恒星演化、黑洞形成的認(rèn)識(shí)，變得越來(lái)越清晰。