超大质量恒星如何死亡的？超新星、超超新星、还是直接坍塌成黑洞？

　　天文物理

　　关注看更多 天文物理

　　群星璀璨、万物有理

　　一颗足够大的恒星，它不会像我们的太阳一样发出一声悲鸣，在数十亿年的时间里平稳燃烧，然后收缩成一个白矮星。相反，核心将会坍塌，导致一种失控的聚变反应，在超新星爆发时将恒星的外部分吹散，而内部坍缩成中子星或黑洞，至少传统观点是这样认为的。

　　这是十七世纪仙后座星座中超新星的一个动态片段。周围物质加上持续辐射电磁辐射都为残余物持续发光提供了作用。图片：NASA, ESA, and the Hubble Heritage STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration

　　博科园-科学科普：但如果恒星足够大，超新星根本不可能出现，而是直接坍缩，即整个恒星消失，形成一个黑洞。还有一种被称为超超新星，比超新星更有活力更亮，并且核心不会留下任何残余物。那些（超大质量）最大的恒星们将如何走向生命的尽头？

　　超新星残骸W49B中的星云，在x射线、无线电和红外波段仍然可见。这颗恒星质量至少是太阳的8-10倍，并且能创造出创造地球的必要重元素。图片：X-ray: NASA/CXC/MIT/L.Lopez et al.; Infrared: Palomar; Radio: NSF/NRAO/VLA

　　每一颗恒星诞生时，都会将氢转化为其核内的氦。像太阳一样大的恒星，比木星大几倍的红矮星，比太阳质量大几十倍或几百倍的超大质量恒星都经历了这一阶段的核反应。恒星质量越大，其核心温度越高，核燃料燃烧的速度越快。

　　当恒星的核心耗尽了氢来融合时，它会快速收缩和升温，如果变得足够热和致密，就开始融合更重的元素。一旦氢燃烧殆尽，它就会变得足够热，将氦熔化成碳，与太阳相似的恒星也是如此走向灭亡。大约是太阳质量8倍(或更多)的恒星才能进入下一个阶段：碳融合（碳聚变）。

　　这颗超大质量恒星Wolf-Rayet 124和周围的星云显示出它可能成为银河系中变成超新星的恒星之一。它的质量超乎你的想象，而且可能已经进入了它生命的碳燃烧阶段。图片：Hubble Legacy Archive / A. Moffat / Judy Schmidy

　　如果恒星足够大，那么注定会有真正的宇宙烟火出现。不同于类似太阳的恒星在行星状星云中外壳被吹散并收缩成一个（富含碳和氧的）白矮星，或者从未达到氦燃烧的红矮星，并简单地收缩成一个（氦基）白矮星，最庞大的恒星注定要发生灾难性事件。

　　最常见的，尤其是最低质量超过太阳质量20倍的恒星，核心温度持续上升而后与更重的元素融合：从碳到氧、然后镁、硅、硫相继燃烧，最终形成铁、钴和镍的核心。因为融合这些元素会消耗更多的能量，所以核心内爆地方也就是核坍塌的超新星形成之地。

　　这是一颗非常巨大恒星在其整个生命周期中的剖析图，最终形成II型超新星。图片：Nicole Rager Fuller for the NSF

　　对于宇宙中的大多数巨型恒星来说，这是一个光辉壮观的结局。在宇宙所有恒星中，只有不到1%的恒星质量足够大，并最终能实现这一命运。当进入越来越密集的区域时，庞大的恒星变得越来越罕见。宇宙中大约80%的恒星是红矮星，只有太阳质量的为40%或更少。

　　太阳本身的质量比宇宙中95%的恒星都要大。夜晚的天空布满了异常明亮的星星：人眼最容易看到的。然而在超新星的下限是太阳质量的几十倍甚至数百倍。它们很罕见，但在宇宙中，它们非常重要，原因是超新星并不是这些巨型恒星存在或死亡的唯一方式。

　　气泡星云位于数千年前发生的超新星遗迹外围，如果遥远的超新星处于比它们现代同类更阴暗的环境中，这就需要修正我们目前对暗能量的理解。图片：T.A. Rector/University of Alaska Anchorage, H. Schweiker/WIYN and NOAO/AURA/NSF

　　首先，许多大质量恒星都有流出和喷出物。随着时间的推移，当它们接近生命的终点或某一特定的融合阶段结束时，一些物质会导致核心短暂的收缩，进而导致温度升高。当核心变得更热时，所有类型的核聚变速率都会增加，从而导致恒星核心产生的能量迅速增加。

　　这种能量的增加可以释放出大量物质，从而创造出一种被称为超新星爆炸的事件：比任何正常的恒星都要亮，导致太阳质量数十倍的物质损失。在19世纪的时候，船底座海山二（下图）变成了一颗超新星，但在它所创造的星云内仍然在燃烧等待着最终命运。

　　19世纪“超新星爆炸”引发了一场巨大的喷发，从船底座海山二（Eeta CARNEAE）向星际介质喷出许多倍太阳物质。图片：Nathan Smith (University of California, Berkeley), and NASA

　　那么，一颗比太阳质量还要大20倍的恒星，最终命运是什么样呢？有三种可能，但不能完全确定驱动每一条可能性的条件。一个是已经讨论过的超新星。如果整个恒星结构突然进入合适的质量范围，任何失去足够“物质”的超级大质量恒星都很容易变成超新星。但是还有另外两个质量范围，虽然我们不确定确切的数字是多少，但这必然会有另外两种结果出现，因为这两种结果已经被观察到。

　　哈勃拍摄的可见光/近红外照片显示了一颗巨大恒星，其质量大约是太阳质量的25倍，但已经消失，而且没有出现超新星。直接坍塌成黑洞是唯一合理的解释。图片：NASA/ESA/C. Kochanek (OSU)

　　直接坍塌形成黑洞：

　　当一颗恒星变成超新星时核心内爆，并可能形成中子星或黑洞，这取决于质量。但是就在去年，天文学家第一次观测到一颗是太阳质量25倍的恒星消失，恒星不会没有迹象就突然消失，但是对于可能发生的事情有自然规律解释的：恒星核心停止产生足够的外部辐射压力来平衡引力，如果中心区域的密度足够大，换句话说，如果足够的质量被压缩到足够小体积内，就会形成一个视界——黑洞，然后黑洞可以将其他东西拉进去。

　　这一区域的众多星团中，有一颗巨大的、短命的、明亮的蓝色恒星尤为突出，在大约1000万年的时间里，大多数大规模的恒星将会在II型超新星爆炸中爆炸…或者直接坍塌成黑洞。图片：ESO / VST survey

　　直接坍缩被认为一般发生在质量超过了200-250倍太阳质量的恒星上。但最近这种低质量恒星的坍塌引发了许多问题。也许我们并不了解恒星内核的内部结构，也不了解恒星的内部结构，也许还有多种方法可以让恒星完全内爆，在不产生任何明显物质的情况下消失。如果是这样的话，通过直接坍缩形成黑洞可能比我们想象的要普遍得多，这可能是宇宙从非常早期开始形成其超大质量黑洞的一种非常巧妙方式。但另一种结果却完全相反：进行了一场比超新星所能提供的更壮观“灯光秀”。

　　如果有一颗恰好合适条件的恒星，那么整个个体就会被炸开，不会留下任何残余物！图片：NASA / Skyworks Digital

　　超超新星爆炸：

　　超超新星也被称为超亮超新星，这一事件远比其他超新星亮得多，并且会显示出非常不同的光曲线（增亮和衰减模式）。主要解释被称为“双失稳机制”。当把一个大质量物体（几十万到几百万倍的地球质量）坍缩成一个小体积时，它会释放出大量的能量。理论上，如果足够大的恒星，比如是太阳质量的100倍，那么它所释放出来的能量就会非常大，以至于单个光子会分裂成成对的电子和正电子。知道电子，但是正电子是电子的反物质对应物，它们很特别。

　　这张图说明了被称为SN 200 6Gy超新星事件的发生过程。当产生足够高能量光子时，它们会产生电子/正电子对，造成压力下降和失控反应，从而破坏恒星。图片：NASA/CXC/M. Weiss

　　当正电子大量存在时，不可避免地会与其他电子发生碰撞。这种碰撞会导致两者的湮灭，产生出两种非常具体、高能量的伽马射线光子。如果正电子(因此，伽马射线)的产量足够低，恒星的核心将保持稳定。但是如果伽马射线的产生速度足够快，所有这些多余的511 keV光子将会让核心不断升温。

　　换句话说，如果开始以一定的速度产生这些电子正电子对，但由于核心正在崩溃，所以生产它们的速度越来越快…核心持续升温，但不能无限期地这样，最终便导致了最壮观的超新星爆炸：超超新星事件爆发，100+颗太阳质量的恒星被炸开！

　　这意味着超大质量恒星可能会造成四种结果：

　　1、一颗中子星和超新星遗迹，来自于低质量的超新星

　　2、一个黑洞和超新星遗迹，来自于更高质量的超新星

　　3、一个巨大的黑洞并且没有残骸，一颗巨大恒星直接坍塌

　　4、残余物的气体，来自超新星爆炸

　　图示（左）大质量恒星的最后阶段，前超新星，硅正在燃烧。仙后座的钱德拉图像（右）是一个超新星遗迹，今天显示的元素如铁（蓝色）、硫（绿）和镁（红色），但这可能不是不可避免的。图片：NASA/CXC/M.Weiss; X-ray: NASA/CXC/GSFC/U.Hwang & J.Laming

　　当我们看到一颗非常大的恒星时，很容易认为它会变成超新星，以黑洞或中子星的形式继续存在。但在现实中，还有另外两种结果可能会发生，并且经常发生在宇宙尺度上。科学家们仍在努力了解这些事件发生的时间和条件，但它们都会发生。下次你再看一颗比太阳大很多倍的恒星时，不要把“超新星”看作是一个必然的结论。这些天体中还有很多生命，它们的死亡也有很多可能性。

　　博科园-科学科普｜文：Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B

　　宇宙传奇、生命之美、人类文明、科技之光

　　仰观群星璀璨、俯察自然传奇

　　传递宇宙科学之美

　　博科园STS-EL

　　让科学撑起未来的梦