哥本哈根大學的天文物理學家幫助解釋了一種神秘現象，即恆星突然從夜空中消失。他們對一個不尋常的雙星系統進行的研究獲得了令人信服的證據，證明大質量恆星可以完全坍縮並變成黑洞，而不會發生超新星爆炸。

藝術家眼中的雙星系統VTFS 243。圖片來源：ESOL.Calçada CC BY 4.0

有一天，位於太陽系中心的恆星–太陽–將開始膨脹，直到吞噬地球。然後，它將變得越來越不穩定，直到最終收縮成一個小而緻密的天體，即白矮星。

然而，如果太陽的重量級大約是它的八倍或更多，那麼它很可能會在一聲巨響中作為一顆超新星滅亡。它的坍縮將最終導致爆炸，以巨大的力量向太空噴射能量和質量，然後留下一顆中子星或一個黑洞。

雖然這些都是關於大質量恆星如何死亡的基本知識，但要了解星空，特別是這些恆星壯觀的死亡過程，還有很多事情要做。

雙星系統VFTS 243 位於銀河系外圍的矮星系”大麥哲倫雲”。麥哲倫雲是銀河系的衛星星系。這些矮星系圍繞著銀河中心運行，只有在南半球才能看到。在這裡，它們出現在位於智利帕拉納爾的歐洲南方天文台甚大望遠鏡（VLT）的輔助望遠鏡上方。圖片來源：JC Muñoz/ESO

哥本哈根大學尼爾斯-玻爾研究所（Niels Bohr Institute）的天文物理學家們的新研究提出了迄今為止最有力的證據，證明質量非常大的恆星可以比超新星更隱蔽地死亡。事實上，他們的研究表明，只要恆星的質量足夠大，它的引力就會如此強大，以至於在死亡時不會發生爆炸。相反，恆星會經歷所謂的完全坍縮。

「我們認為，恆星的核心會在自身重量的作用下坍縮，大質量恆星在其生命的最後階段也會發生這種情況。但是，這種坍縮並不是像太陽質量的八倍以上的恆星所預期的那樣，最終導致一顆明亮的超新星爆炸，從而使銀河系變得更加耀眼，而是持續坍縮，直到恆星變成一個黑洞，”這項研究的第一作者亞歷杭德羅-維格納-戈麥斯（Alejandro Vigna-Gómez）解釋說，他在這項研究啟動時還是尼爾斯玻爾研究所的博士後。

事實與神話：消失的恆星

近代以來，人們觀測到許多恆星莫名其妙地消失了。

由天文物理學家克里斯-科查內克領導的“關於虛無的調查”就是積極尋找消失的恆星及其消失原因的研究工作的一個例子。

好奇的讀者還可以深入了解歷史描述。這些描述通常與突然發光的恆星消失有關，與超新星的情形一致。但也有其他關於恆星突然消失的故事，例如與昴宿星團（俗稱七姐妹）有關的希臘神話。昴宿星團神話描述了泰坦阿特拉斯和仙女昴宿星的七個女兒。根據這個神話，他們的一個女兒嫁給了一個人類，然後躲了起來，這為我們為什麼只能在昴宿星團中看到六顆星星提供了一個非常不科學但美麗的解釋。

這項發現與近年來引起天文學家興趣的恆星消失現像有關，它可能為這類現象提供了一個明顯的例子和一個合理的科學解釋。

「如果有人仰望一顆正在經歷完全坍縮的可見恆星，那麼在適當的時候，可能就會像看到一顆恆星突然熄滅，從天際消失一樣。坍縮是如此徹底，以至於沒有爆炸發生，沒有任何東西逃逸，人們也不會在夜空中看到任何明亮的超新星。 Alejandro Vigna-Gómez）說：”我們無法確定兩者之間是否存在聯繫，但我們透過分析VFTS 243 所獲得的結果讓我們更接近一個可信的解釋。”

韋伯太空望遠鏡拍攝的VTFS 243所在的塔蘭圖拉星雲。圖片來源：NASA、ESA、CSA 和STScI

沒有爆炸跡象的不尋常恆星系統

最近，我們在銀河系邊緣觀測到了一個不尋常的雙星系統–VFTS 243，這項發現促使我們進行了研究。在這個系統中，一顆大恆星和一個質量大約是太陽10倍的黑洞相互環繞運行。

幾十年前，科學家就已經知道銀河系中存在這樣的雙星系統，其中一顆恆星已經變成了黑洞。但最近在銀河系外的大麥哲倫雲中發現的VFTS 243，才是真正特別的東西。

連光都無法從黑洞中逃逸。因此，黑洞無法被直接觀測到。不過，有些黑洞可以被辨識出來，因為圍繞它們旋轉的氣體會釋放出大量能量。還有一些黑洞，例如VFTS 243，則可以透過它們對與其運行的恆星的影響來觀測。

一般來說，天文學家認為黑洞有三種：

恆星黑洞–例如VFTS 243 系統中的恆星黑洞–是質量超過太陽8 倍的恆星坍縮時形成的。科學家相信，光是我們的銀河係就可能有多達1 億個這樣的黑洞。

超大質量黑洞–質量是太陽的10 萬到100 億倍–被認為位於幾乎所有星系的中心。人馬座A* 是位於銀河系中心的超大質量黑洞。

長期以來，中質量黑洞（IMBH）–質量是太陽的100-100,000 倍–一直是缺失的環節。近年來，出現了一些可信的候選人。

還有一些理論描述了尚未被發現的其他類型的黑洞。其中一種，即所謂的原始黑洞，應該是在宇宙早期形成的，理論上可能非常微小。

“通常情況下，恆星系統中的超新星事件發生後可以通過各種方式進行測量。但是，儘管VFTS 243包含一顆坍縮成黑洞的恆星，卻找不到爆炸的痕跡。VFTS 243 是一個非同尋常的系統。

研究人員對觀測數據進行了分析，以尋找恆星系統在過去經歷過超新星爆炸後可能出現的一系列跡象。一般來說，他們發現這種事件的證據較少，難以令人信服。

這個系統並沒有顯示出明顯的軌道物體加速的跡象。它的軌道也非常對稱，幾乎是完美的圓形，前恆星核心坍縮時釋放能量的殘留跡象表明，它的能量類型與完全坍縮一致。

尼爾斯-玻爾研究所的艾琳-坦博拉教授也參與了這項研究，她說：”我們的分析明確指出，VFTS 243 中的黑洞很可能是立即形成的，能量主要是通過中微子流失的。

未來研究的基準系統

坦波拉教授認為，VFTS 243 系統為最終將一系列天文物理學理論和模型計算與實際觀測結果進行比較提供了可能。她預計，該恆星系統將對研究恆星演化和坍縮具有重要意義。

“我們的研究結果突出表明，VFTS 243 是迄今為止透過全坍縮形成恆星黑洞理論的最佳觀測案例。這是對這些模型的一次重要的現實檢驗。我們當然希望這個系統能成為未來研究恆星演化和坍縮的重要基準，」教授說。

由於超新星在爆炸過程中會不對稱地釋放物質，因此它的狂暴力量會直接影響新生的中子星或黑洞。這就是研究人員所說的”原生踢”。這種踢力會使緊湊的天體加速。通常，”原生踢”會使中子星的可測量速度達到每秒100-1000 公里。黑洞的速度預計會小一些，但仍然顯著。

由於VFTS 243 系統中的黑洞似乎只被加速到了大約4 公里/秒的速度，因此沒有跡象表明它受到了巨大的原生撞擊，就像它經歷了超新星撞擊所預期的那樣。

同樣，一個恆星系統軌道的對稱性通常會顯示出它受到過超新星劇烈爆炸衝擊的跡象，因為會發生物質噴射。而研究人員卻發現了對稱性。

“VFTS的軌道幾乎是圓形的，我們的分析表明，在坍縮過程中沒有出現大的不對稱跡象。這再次表明沒有爆炸，”Alejandro Vigna Gomez 說。

透過分析雙星系統的軌道，研究小組也計算了黑洞形成過程中釋放的質量和能量。

他們的估計符合這樣一種假設，即恆星坍縮過程中產生的較小衝擊力不是由重子物質（包括中子和質子）造成的，而是由所謂的中微子造成的。中微子的質量很小，交互作用非常微弱。這從另一個角度表明，該系統並沒有經歷爆炸。

編譯來源：ScitechDaily