大質量恆星直接坍縮形成黑洞

原文標題：Massive Dying Star Goes Out With a Whimper Instead of a Bang

原文作者：Christopher Kochanek，Krzysztof Stanek，Scott Adams；Pam Frost Gorder，Elizabeth Landau；Ray Villard

來自：哈勃官網； 發表時間：2017.5.25

翻譯：gohomeman1 審校：數星星的貓（編譯版權所有，未經許可請勿轉載）

2017.5.25：宇宙中，每秒都有恆星以超新星爆發死去。但是還有一些更大質量的恆星，卻在默默死去：它們在自身引力下坍縮消失，身後只留下一個黑洞。本例中這顆歹命的恆星就是一例，它編號N6946-BH1，大約相當於25個太陽質量。2009年開始它逐漸變暗，到了2015年，竟然完全消失不見。研究團隊結合了哈勃、斯必澤空間望遠鏡和大雙筒望遠鏡的數據，經過仔細的分析、去除其他可能，最終得出結論：它只能變成黑洞。這可能是那些極大質量恆星的宿命。

哈勃拍攝的N6946-BH1前身星和當前位置區，分別由WFPC2攝於2007年，WFC3攝於2015年。大圖：3.4MB，版權：NASA、ESA，研究者團隊；下同。

本圖分別由哈勃第二代廣域行星相機（WFPC2）和第三代廣域相機（WFC3）的紫外光學（UVIS）通道拍攝。2009年的哈勃維護任務中，WFPC2被WFC3替代，圖像清晰度（解析度）有了飛躍提升。圖像都是偽彩配色：606nm（納米）的紅光，配色藍；814nm的近紅外光，黃。

天文學家觀測到一顆垂死的大質量恆星，很可能變成了黑洞。天文學家動用美國、義大利、德國合作的大雙筒望遠鏡（LBT），美國宇航局（NASA）和歐洲空間局（ESA）合作的哈勃太空望遠鏡，以及NASA的斯必澤（Spitzer）紅外空間望遠鏡，對這顆敗亡恆星的遺迹地進行搜尋，只為了發現恆星消失的真相。

它居然不是以超新星爆發壯烈就義，卻像怨婦般嗚咽而亡!

這顆恆星的質量達25個太陽，本該爆發成極為明亮的超新星。然而，它失敗了——最終變成了黑洞。

俄亥俄州觀測天文學傑出學者、俄亥俄州立大學Christopher Kochanek 教授介紹說，鄰近星系中這顆「大質量的失敗者」能夠解釋，為何天文學家沒看到許多極大質量的恆星爆發為超新星。

據估算，看起來最多大約30%的此類恆星，可能安靜地坍縮為黑洞——沒有經過超新星爆發階段。

N6946-BH1在NGCG 6946中的定位（那顆明亮的黃紅色星）。

Kochanek 繼續解釋：「典型的觀點認為，恆星變成黑洞，必須經過超新星階段。假如恆星的坍縮極快，越過了超新星爆發的觸發階段，它就可能直接變成黑洞。這有助於解釋許多大質量恆星為何沒看到它變成超新星。」

由他領銜的天文學家團隊，已經把他們最新的研究報告發表在《皇家天文學會月刊》上。

團隊觀測的對象是NGC 6946，一個昵稱「焰火星系」的旋渦星系，之所以有此名稱，是因為它那裡爆發超新星像玩兒似的——剛剛2017.5.14就又有一顆SN 2014eaw，現在正接近最大光度。特別的，N6946-BH1（前面為星系編號，後面的BH是黑洞Black Hole的縮寫，1是數字編號，譯註）從2009開始變暗，到了2015年，它乾脆完全熄滅了。

隨著LBT進行的失敗超新星巡天發現該恆星消失了，天文學家動用哈勃搜尋該區域，以確定是否該恆星僅僅是太暗了而看不見；他們還使用斯必澤空間望遠鏡以確定是否有可能的紅外輻射存在（把各種可能性都找遍）。他們需要確認，恆星是否其實還在，不過恰好被一片星雲給擋住了。

但是所有的努力都給出了否定的證據，恆星確實已經消失了。經過仔細的分析、排除，研究團隊最終確定，這顆恆星必定變成黑洞。

N6946-BH1的歷年光度變化，紅色是紅外波段。注意，2009年出現了光度明顯變大的情況，可以看做假超新星爆發（本來就是一顆紅超巨星）。

要通過本項目確定大質量恆星爆發失敗的比例還為時過早，不過俄亥俄州大學的斯科特·亞當斯（Scott Adams），能初步給出估算。他就是通過這項研究工作獲得了博士位。

亞當斯分析說：「我們進行了首期7年巡天觀測，在該星系中發現了6顆正常的超新星，而N6946-BH1是唯一的疑似失敗者。因此，大質量恆星的失敗比例可能是10%~30%。」

他感慨道：「這只是觸發我們開始那個巡天的部分原因。這個問題其實很重要，換句話說，假如所有的（較）大質量恆星都通過直接坍縮途徑死亡，我們將只能看到很少的超新星。」（理論上存在很多爭議，直接坍縮的下限有20個太陽質量左右的，也有30個的。另外這類較大質量的恆星，後期的恆星風損失的質量通常超過原始質量的一半，譯註）

對研究報告合作者Krzysztof Stanek 來說，本發現真正有意義的地方在於，它可能揭示了超大質量黑洞的起源——那正是激光干涉引力波觀測儀（LIGO）試圖通過引力波振蕩發現的。

作為俄亥俄州立大學的天文學教授，Stanek繼續解說，雖然聽起來不盡合理，但是一個大質量恆星可能經歷過超新星階段——拋出了外層的大量物質後，剩餘的內核質量仍舊足以形成（相對）大質量黑洞，並被LIGO探測到。

Stanek最後總結道：「我猜想，假如連超新星階段都不經過，那麼形成大質量黑洞就非常容易。」

失敗超新星的演示圖。恆星外殼雖然拋出，但由於內核坍縮為黑洞而不是變成中子星，膨脹外殼沒有獲得足夠的能量激發，尤其是關鍵的後期嬗變產能過程缺失，所以看起來就沒有超新星現象。理論上，這種情況會產生長周期γ暴，但如果噴流不朝向我們（這種概率極大），我們就看不到後續的γ暴爆發餘輝。大圖：4.0MB

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