通过将最新的望远镜数据与十多年来的存档观测相结合，科学家得以检验并完善关于大质量恒星如何终结其生命的长期理论。这颗恒星的核心并未在绚丽的超新星爆发中向外炸开，而是在引力作用下坍缩，形成了一个黑洞。在此过程中，其不稳定的外层被逐渐向外推离。
这些于2月12日发表在《科学》杂志上的发现引起了广泛关注，因为它们为了解黑洞的诞生提供了罕见的一瞥。该结果或许有助于解释，为何一些大质量恒星在生命末期剧烈爆发，而另一些则悄无声息地坍缩。
"这仅仅是故事的开端，"西蒙斯基金会扁平宇宙研究所副研究科学家、本研究的主要作者Kishalay De表示。来自新生黑洞周围尘埃碎屑的光，"在像詹姆斯·韦伯空间望远镜这样灵敏度的设备下，未来几十年都将是可见的，因为它会非常缓慢地持续变暗。而这最终可能成为理解宇宙中恒星级黑洞如何形成的基准。"
仙女座中M31-2014-DS1的消失
这颗名为M31-2014-DS1的恒星位于约250万光年外的仙女座星系。De及其同事检视了2005年至2023年间从NASA的NEOWISE任务以及其他地基和空间望远镜收集的数据。他们发现，这颗恒星从2014年开始在红外波段变亮。随后在2016年，其亮度在不到一年的时间内急剧下降。
到2022年和2023年，这颗恒星在可见光和近红外波段几乎消失不见，在这些波段的光芒减弱至原先仅万分之一。如今，只能在其中红外波段探测到它的存在，其发光强度约为原来的十分之一。
De说："这颗恒星曾是仙女座星系中最亮的恒星之一，而现在却无处可寻。想象一下，如果参宿四突然消失了，每个人都会发疯！同样的事情（就）发生在仙女座星系的这颗恒星上。"
当研究团队将观测结果与理论预测进行比较时，他们得出结论：如此极端的亮度下降强烈表明该恒星的核心已坍缩并形成了一个黑洞。
为何一些大质量恒星未能爆发
恒星之所以发光，是因为其核心的核聚变将氢转化为氦，产生向外的压力以对抗引力。在质量至少为太阳10倍的恒星中，当核燃料耗尽时，这种平衡最终会被打破。引力会压倒向外压力，导致核心坍缩，形成致密的中子星。
在许多情况下，坍缩过程中释放的大量中微子会产生强大的冲击波，在超新星爆发中将恒星撕裂。但如果该冲击波太弱，无法将周围物质抛射出去，那么恒星的大部分物质可能会落回内部。理论模型长期以来一直认为，这种回落过程可以将中子星转变为黑洞。
"我们知道黑洞的存在已有近50年，"De说，"然而，我们对哪些恒星会变成黑洞以及它们如何变成黑洞的理解，仍然只是触及皮毛。"
对流的关键作用
对M31-2014-DS1的详细研究也帮助研究人员重新审视了一个十年前发现的类似天体——NGC 6946-BH1。重新分析这两个案例揭示了一个关键缺失的环节，即理解恒星外层在失败的超新星爆发后经历了什么。答案在于对流。
对流源于恒星内部巨大的温差。核心极端炽热，而外层则冷得多。这种温差驱动气体在较热和较冷区域之间循环。
当核心坍缩时，由于这种剧烈的扰动过程，外层气体仍在运动。根据扁平宇宙研究所开发的模型，这种运动阻止了大部分外层物质直接坠入黑洞。相反，一些内层物质环绕黑洞旋转，而最外层则被向外推离。
随着被抛射的物质远离，它逐渐冷却。在较低温度下，原子和分子结合形成尘埃。这些尘埃阻挡了来自靠近黑洞的炽热气体的光，吸收能量，并以红外波长重新辐射。其结果是产生一种持久的微红色光芒，在原始恒星消失后可持续数十年。
该研究的合著者、扁平宇宙研究所研究员Andrea Antoni为这些对流模型背后的理论框架做出了贡献。根据新的观测结果，她说："吸积率——物质落入的速率——比恒星直接向内 implosion 要慢得多。这种对流物质具有角动量，因此它会围绕黑洞形成环状结构。它不是需要数月或一年时间落入，而是需要数十年。正因如此，它成为了一个比原本更亮的源，并且我们观测到原始恒星变暗的过程存在长时间的延迟。"
就像水打着旋流入排水管而非直落而下一样，气体在引力逐渐将其向内拉拽的同时，持续环绕着新形成的黑洞运行。这种延迟的吸积意味着整个恒星并非瞬间完全坍缩。即使在核心迅速塌陷之后，仍有一些物质在数十年间缓慢落回。
研究人员估计，最终只有原始恒星外壳的约百分之一的物质被黑洞吞噬，产生了至今仍能观测到的微弱光芒。
构建更完整的黑洞形成图景
在分析M31-2014-DS1的同时，该团队也重新审视了NGC 6946-BH1。这项新研究提供了强有力的证据，表明这两颗恒星遵循了相似的演化路径。最初看起来像是特例的事件，现在似乎属于一个更广泛的、静默产生黑洞的"失败超新星"类别的一部分。
De说，M31-2014-DS1最初被视为一个"怪胎"，但现在看来，它和NGC 6946-BH1一样，是这类事件中的几个例子之一。
"正是通过这些如同珍宝般的个别发现，我们才开始拼凑出这样的图景，"De说。