文学家首次完整记录恒星塌缩成黑洞的全过程

天文学家目睹了一颗垂死恒星未能爆发成超新星，而是直接塌缩成黑洞的罕见过程。这一非凡的观测成为迄今为止记录恒星转变为黑洞最完整的观测记录，使天文学家能够构建该过程的全面物理图景。

这颗已经"死亡"的恒星名为M31-2014-DS1，距离地球约250万光年，位于邻近的仙女座星系中。来自西蒙斯基金会弗拉蒂龙研究所的副研究员基沙莱·德领导的研究团队，结合近期观测数据与十多年的档案资料，确认并完善了这类大质量恒星转变为黑洞的理论模型。研究结果已发表在《科学》期刊上，这一发现正引发广泛关注，为揭示黑洞神秘起源提供了难得一瞥。

研究团队分析了从2005年到2023年期间，美国宇航局NEOWISE项目以及其他地基和太空望远镜对该恒星的测量数据。他们发现，M31-2014-DS1的红外光在2014年开始变亮，随后在2016年迅速暗淡，仅用一年时间就远低于其原始光度。2022年和2023年的观测显示，这颗恒星在可见光和近红外波段基本消失，亮度降至原来的万分之一。目前它的残留物只能在中红外波段探测到，亮度仅为之前的十分之一。

德表示:"这颗恒星曾是仙女座星系中最明亮的恒星之一，但现在它却无处可寻。想象一下如果参宿四突然消失，每个人都会疯掉!同样的事情就发生在仙女座星系的这颗恒星身上。"将这些观测数据与理论预测进行比对后，研究人员得出结论，该恒星戏剧性地暗淡至其原始总亮度的极小部分，这为其核心塌缩并形成黑洞提供了有力证据。

恒星在核心将氢聚变成氦，这一过程产生向外的压力以平衡引力持续不断的向内拉力。当质量约为太阳10倍或以上的大质量恒星开始耗尽燃料时，向内和向外力量之间的平衡被打破。引力开始压缩恒星，其核心首先屈服形成中心的致密中子星。通常情况下，这一过程中中微子的释放会产生强大的冲击波，足以在超新星爆发中撕裂大部分核心和外层。然而，如果中微子驱动的冲击波未能将恒星物质推出，理论长期以来认为大部分恒星物质会回落到中子星中，形成黑洞。

对M31-2014-DS1的观测和分析使团队能够重新解释对类似恒星NGC 6946-BH1的观测，这导致在理解恒星外层在未能爆发成超新星并塌缩成黑洞后发生了什么方面取得重要突破。被忽视的关键要素是对流。对流是恒星内部巨大温差的副产品。靠近恒星中心的物质极其炽热，而外围区域则冷得多，这种温差导致恒星内的气体从较热区域移向较冷区域。

当恒星核心塌缩时，其外层的气体由于对流仍在快速运动。弗拉蒂龙研究所天文学家开发的理论模型显示，这阻止了大部分外层直接落入黑洞;相反，最内层在黑洞外围运行，并驱动对流区最外层的抛射。共同作者、弗拉蒂龙研究员安德烈亚·安东尼此前开发了这些对流模型的理论预测。她表示:"吸积率——物质落入的速率——比恒星直接内爆要慢得多。这种对流物质具有角动量，因此它在黑洞周围环绕。它不是在几个月或一年内落入，而是需要几十年。正因为如此，它成为比原本更明亮的光源，我们观测到原始恒星暗淡过程中的长时间延迟。"

类似于水在浴缸排水口周围打旋而不是直接流下，围绕这个新形成黑洞运动的气体即使在缓慢被向内拉扯时，也继续其混乱的轨道运行。因此，对流产生的停滞内落阻止了整个恒星直接塌缩进新生黑洞。研究人员估计，只有约百分之一的原始恒星包层气体落入黑洞，为其今天发出的光提供能量。

在分析M31-2014-DS1的观测数据时，德和他的团队还重新评估了10年前归类的类似恒星NGC 6946-BH1。在新论文中，他们提出了有力证据解释为何这颗恒星遵循类似模式。德说，M31-2014-DS1最初看起来是个"怪胎"，但现在看来它只是包括NGC 6946-BH1在内的一类天体中的一员。德表示:"只有通过这些单独的发现珍宝，我们才开始拼凑出这样的图景。新生黑洞周围尘埃碎片发出的光，在詹姆斯·韦伯太空望远镜这样的望远镜灵敏度水平下，将在未来几十年都可见，因为它会继续非常缓慢地衰减。这最终可能成为理解宇宙中恒星黑洞如何形成的基准。"