天文学家首次观测到恒星直接坍缩成黑洞
描绘恒星坍缩形成黑洞的示意图。黑洞位于中心，不可见。其外围是一个正在远离黑洞移动的尘埃壳，同时有气体正被拉向黑洞。图片来源：加州理工学院/红外处理与分析中心SELab
科技日报北京2月12日电（记者张梦然）天文学家首次完整观测到一颗大质量恒星在生命终点并未经历超新星爆发，而是直接坍缩形成黑洞。这项发现基于对该恒星长达十余年的持续监测与历史数据综合分析，为理解恒星如何演化为黑洞提供了迄今最完整的物理图景。相关研究成果12日发表于《科学》杂志，其标志着人类对恒星终结与黑洞形成机制的认识进入新阶段。
这颗名为M31-2014-DS1的恒星位于距地球约250万光年的仙女座星系。美国加州理工学院研究团队分析了2005年至2023年间来自美国国家航空航天局NEOWISE项目及其他多台地面与空间望远镜的观测数据，发现该恒星的红外辐射自2014年起异常增亮，随后在2016年亮度急剧下降，整个变暗过程持续不到一年。在2022年至2023年，该恒星在可见光与近红外波段已基本不可见，亮度仅为原先的万分之一，仅在热辐射更强的中红外波段留存微弱信号，亮度亦降至之前的十分之一。
通过对比观测数据与理论模拟，团队认为亮度骤降并最终消失的现象强烈表明，该恒星核心发生了引力坍缩并形成了黑洞。通常，大质量恒星在耗尽核燃料后，核心会先坍缩为中子星，并借由中微子爆发产生向外激波，触发超新星爆炸。但理论预测，若激波未能抛射外层物质，物质将回落到中子星上，使其进一步坍缩成黑洞。此次观测首次为这一过程提供了直接证据。
研究还揭示，恒星外层的对流运动在此过程中扮演关键角色。核心坍缩后，外层高温气体仍在对流作用下剧烈运动，阻碍物质直接坠入黑洞；内层物质会沿黑洞外围作缓慢的圆周运动，并逐渐被吸入。据估算，仅有约1%的恒星包层物质最终落入黑洞，其余部分在漫长的时间尺度上缓慢耗散。