天文学家证明黑洞可以直接从大质量恒星的坍缩中形成

新发现的双星系统与最先进的恒星坍缩模型相结合，揭示了恒星质量黑洞是如何形成的。 来自马克斯-普朗克天体物理研究所和哥本哈根大学尼尔斯-玻尔研究所（NBI）的一个国际研究小组发现，有证据表明，大质量黑洞的形成不需要传统上与恒星死亡相关的剧烈超新星爆炸。 相反，坍缩产生的能量主要被轻质中微子粒子带走，不对称程度极低。 这导致新形成的黑洞只有很小的"原生踢"。

这幅艺术家的作品展示了位于大麦哲伦星云塔兰图拉星云中的双星系统 VFTS 243 在我们近距离观测下的样子。 这两个双星的大小并不是按比例绘制的：实际上，蓝色恒星比黑洞大大约 20 万倍。 请注意，黑洞周围的"透镜"效应仅用于说明目的，以使这个黑暗物体在图像中更加明显。 图片来源：ESO/L. 卡尔卡达

多年来，天文学家一直知道在银河系中有双星系统，其中一颗恒星与黑洞配对。亚历杭德罗-维格纳-戈麦斯（Alejandro Vigna-Gómez）说："在我们邻近的大麦哲伦星云中发现黑洞双星VFTS 243非同寻常，这个系统本身也非常了不起。 VFTS 243 由一颗质量为太阳 25 倍的大质量恒星和一个质量为太阳 10 倍的黑洞组成。"

基于质量比太阳重 11.2 倍的恒星模型的超新星三维模拟快照。 随着中微子加热物质在蘑菇状浮力羽流中膨胀，对流翻转清晰可见。 资料来源：图 2 来自 Tamborra 等人，2014 年

质量比太阳大几倍的恒星通常会在名为超新星的剧烈爆炸中结束自己的生命。 在这些事件中，恒星致密的金属内核会发生坍塌，释放出巨大的能量，其中大部分以中微子的形式存在。 恒星的外层随后以每秒数百至数千公里的速度被猛烈地抛射到太空中。 这些被抛出的物质的质量可能是太阳质量的数倍，它们在爆炸残留物中造成了大范围的不对称，甚至在超新星发生后很长时间都可以观测到。

这些不对称性和质量喷射物直接影响到核心的高密度残余物，即新形成的中子星，它经历了一次反冲--原点踢--会突然改变它的速度。 我们在银河系中观察到中子星以很高的速度移动，因此有大量证据表明中子星会出现这种原点踢。 然而，对于已知质量最大的致密天体--黑洞来说，这些原点踢还不是很清楚。 这种恒星黑洞是在大质量恒星的坍缩过程中形成的，特别是当爆炸没有成功，坍缩中的物质坍缩到自身时。

最近发现的"消失"恒星表明，很大一部分坍缩的大质量恒星在形成黑洞时不会发生任何爆炸，这与我们无法观测到的明亮超新星不同。 然而，目前还不清楚这些恒星在黑洞形成过程中会损失多少质量，也不清楚它们的原生踢有多大。 如果大质量恒星直接坍缩成黑洞，就不会喷射出重子物质，能量主要通过中微子流失。Vigna-Gómez 说："VFTS 243 让我们能够测试这种情况。"

物质的不对称喷射导致新生中子星被踢出星际的草图。 图片来源：图 1 来自 Janka 2013

研究小组探索了黑洞双星 VFTS 243 的完全坍缩情况，在这个双星系统中，一颗质量比太阳大十倍的恒星在其最后阶段通过内爆结束了它的生命周期。 他们利用 MPA 开发的最先进的恒星坍缩模型，计算了黑洞形成过程中对双星系统轨道的影响。 在完全坍缩的情况下，黑洞形成过程中释放的巨大引力束缚能完全被称为中微子的弱相互作用、中性和轻质粒子带走。

MPA超新星理论家托马斯-扬卡（H.-Thomas Janka）说："探测坍缩恒星内部最深处的物理过程极其困难，只有在特殊情况下才有可能。"

扬卡研究小组的博士后研究员丹尼尔-克雷斯（Daniel Kresse）补充说："在双星系统VFTS 243中观测到的黑洞就是这样一种特殊情况。它让我们首次得出结论：当大质量原生体坍缩形成黑洞时，中微子在各个方向的发射量几乎相等。"

Vigna Gómez 总结说："我们的研究是理论与观测之间协同作用的最好例证。将先进的恒星坍缩数值模型与双星系统中的超新星原理相结合，让我们获得了对完整坍缩情景的重要见解，特别是证明了大质量黑洞可以在不发生爆炸的情况下形成。"

编译自/scitechdaily