仙女座星系一颗恒星突然消失，科学家：是“幽灵粒子”在作祟

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

我们知道恒星也是有寿命的。低质量恒星会缓慢熄灭；中等质量的恒星（如太阳）会先变成行星状星云，然后变成白矮星，最后缓慢熄灭，成为所谓的黑矮星；而质量至少相当于8个太阳的大质量恒星会在生命的尽头爆炸，变成超新星——在几个月之内，它的亮度会超过整个星系恒星亮度的总和，绚烂无比——并在最后留下一个黑洞或中子星。

但是，天文学家也曾发现过一些不动声色就突然消失的恒星。由于毫无征兆，连研究起来也相当困难。

近日以麻省理工学院卡夫利天体物理学和空间研究所Kishalay De为首的一批学者，对M31星系（仙女座星系）内一颗大质量超巨星神秘消失的过程进行了研究。他们认为，这颗恒星实际上是未经历爆发，就悄然变成了黑洞。

研究人员注意到，这颗编号为M31-2014-DS1的恒星在2014年时曾被人在中红外波段上拍到，且相当明亮。其亮度相当稳定，维持了大约1000天。而从2016年开始直至2019年，它的亮度衰退得相当明显，且这种衰退无法用M31-2014-DS1的变星特性来解释。到了2023年，天文学家在可见光和近红外波段上都已经无法找到M31-2014-DS1的踪影。

研究人员表示，这颗恒星在诞生时的初始质量大约相当于20个太阳，而当它进入晚期核燃烧阶段时，质量只相当于大约6.7个太阳。观测结果显示，恒星周围存在一个新近才被抛出的尘埃壳，符合超新星爆发的行为特征，但却没有发现任何可见光爆发的证据。

M31-2014-DS1亮度衰退的显著性和持续性，在进入演化晚期的大质量恒星中是罕见的。其亮度的突然衰减暗示其内部的核燃烧发生了终结，且由外向内塌落的物质压制了由内向外产生的冲击波。而通常的超新星爆发产生的冲击波总是很强大，能够完全压制向内塌落的物质。换而言之，M31-2014-DS1是一颗失败的超新星。

那究竟是一种什么样的力量，能够阻止一颗超新星完成它的爆发，即使它的质量在理论上已经足够大呢？

超新星爆发是一种复杂的事件。其坍缩内核的密度之高可以用极端来形容：在那里，电子会被迫与质子结合在一起，形成中子，并释放出中微子。这一过程被称为中子化，它能导致强大的中微子爆发，其携带的能量相当于恒星剩余质量的10%，形成所谓的中微子冲击。

中微子是中性的，且很少与普通物质发生相互作用。每秒有大约4000亿个来自太阳的中微子穿越我们的身体。在致密的恒星内核，中微子的密度更是高得吓人——在那里，部分中微子会将它们的能量转移到周围的恒星物质中，使物质升温，进而产生冲击波。

中微子冲击时常会“失速”，但有时又能重新获得速度。如果它重新获得速度，就会引起爆发，将超新星的外层抛得老远；但是如果它没有重新获得速度，冲击波就会失能，导致恒星坍缩成黑洞。

研究人员认为，在M31-2014-DS1内部，中微子冲击没有能够重新获得速度。研究人员在估算了恒星的实际抛出物总量后发现，它远低于理论上超新星爆发应当抛出的物质总量。这表明大部分恒星物质（大约相当于5个太阳的质量）向内塌落到了它的内核上，而这超出了中子星的质量上限。最终恒星以其98%的总质量，坍缩成了一个质量大约相当于6.5个太阳的黑洞。

M31-2014-DS1并非天文学家发现的唯一失败超新星候选者。失败的超新星非常难以研究，因为要识别它们，是要通过没有发生的事件，而不是发生了的事件。超新星很容易识别，因为它们极为明亮，且出现得非常突然。即便是古代天文学家也目击过不少。

除了M31-2014-DS1之外仅有的一颗被确认的失败超新星发现于2009年。那是一颗红超巨星，位于NGC 6946，也就是所谓的焰火星系。这颗超新星被命名为N6946-BH1，其质量大约相当于25个太阳。2009年，它的亮度一度增加到了太阳的100万倍；但到了2015年，它在可见光谱上已经彻底消失，只剩下了一点昏暗的红外辉光。

针对27个邻近星系的监测结果显示，20%至30%的大质量恒星会在生命终结时变成失败的超新星，但迄今为止被确认的只有这两颗。

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