新發現的雙星系統與最先進的恆星坍縮模型相結合，揭示了恆星質量黑洞是如何形成的。 來自馬克斯-普朗克天文物理研究所和哥本哈根大學尼爾斯-玻爾研究所（NBI）的國際研究小組發現，有證據表明，大質量黑洞的形成不需要傳統上與恆星死亡相關的劇烈超新星爆炸。 相反，坍縮產生的能量主要被輕質中微子粒子帶走，不對稱程度極低。 這導致新形成的黑洞只有很小的”原生踢”。

這幅藝術家的作品展示了位於大麥哲倫星雲塔蘭圖拉星雲中的雙星系統VFTS 243 在我們近距離觀測下的樣子。 這兩個雙星的大小並不是按比例繪製的：實際上，藍色恆星比黑洞大約20 萬倍。 請注意，黑洞周圍的”透鏡”效應僅用於說明目的，以使這個黑暗物體在影像中更加明顯。 圖片來源：ESO/L. 卡爾卡達

多年來，天文學家一直知道在銀河系中有雙星系統，其中一顆恆星與黑洞配對。亞歷杭德羅-維格納-戈麥斯（Alejandro Vigna-Gómez）說：” 在我們鄰近的大麥哲倫星雲中發現黑洞雙星VFTS 243 非同尋常，這個系統本身也非常了不起。VFTS 243 由一顆質量為太陽25 倍的大質量恆星和質量為太陽10 倍的黑洞組成。

基於質量比太陽重11.2 倍的恆星模型的超新星三維模擬快照。 隨著中微子加熱物質在蘑菇狀浮力羽流中膨脹，對流翻轉清晰可見。 資料來源：圖2 來自Tamborra 等人，2014 年

質量比太陽大幾倍的恆星通常會在名為超新星的劇烈爆炸中結束自己的生命。 在這些事件中，恆星緻密的金屬內核會發生坍塌，釋放出巨大的能量，其中大部分以中微子的形式存在。 恆星的外層隨後以每秒數百至數千公里的速度被猛烈地拋射到太空中。 這些被拋出的物質的質量可能是太陽質量的數倍，它們在爆炸殘留物中造成了大範圍的不對稱，甚至在超新星發生後很長時間都可以觀測到。

這些不對稱性和質量噴射物直接影響到核心的高密度殘餘物，即新形成的中子星，它經歷了一次反沖–原點踢–會突然改變它的速度。 我們在銀河系中觀察到中子星以很高的速度移動，因此有大量證據表明中子星會出現這種原點踢。 然而，對於已知質量最大的緻密天體–黑洞來說，這些原點踢還不是很清楚。 這種恆星黑洞是在大質量恆星的坍縮過程中形成的，特別是當爆炸沒有成功，坍縮中的物質坍縮到自己。

最近發現的”消失”恆星表明，很大一部分坍縮的大質量恆星在形成黑洞時不會發生任何爆炸，這與我們無法觀測到的明亮超新星不同。 然而，目前還不清楚這些恆星在黑洞形成過程中會損失多少質量，也不清楚它們的原生踢有多大。 如果大質量恆星直接坍縮成黑洞，就不會噴射重子物質，能量主要透過中微子流失。 Vigna-Gómez 說：”VFTS 243 讓我們能夠測試這種情況。”

物質的不對稱噴射導致新生中子星被踢出星際的草圖。 圖片來源：圖1 來自Janka 2013

研究團隊探討了黑洞雙星VFTS 243 的完全坍縮情況，在這個雙星系統中，一顆質量比太陽大十倍的恆星在其最後階段透過內爆結束了它的生命週期。 他們利用MPA 開發的最先進的恆星坍縮模型，計算了黑洞形成過程中對雙星系統軌道的影響。 在完全坍縮的情況下，黑洞形成過程中釋放的巨大引力束縛能完全被稱為中微子的弱相互作用、中性和輕質粒子帶走。

MPA超新星理論家托馬斯-揚卡（H.-Thomas Janka）說：”探測坍縮恆星內部最深處的物理過程極其困難，只有在特殊情況下才有可能。”

揚卡研究小組的博士後研究員丹尼爾-克雷斯（Daniel Kresse）補充說：”在雙星系統VFTS 243中觀測到的黑洞就是這樣一種特殊情況。它讓我們首次得出結論：當大質量原生體坍縮形成黑洞時，中微子在各個方向的發射量幾乎相等。

Vigna Gómez 總結說：”我們的研究是理論與觀測之間協同作用的最佳例證。將先進的恆星坍縮數值模型與雙星系統中的超新星原理相結合，讓我們獲得了對完整坍縮情景的重要見解，特別是證明了大質量黑洞可以在不發生爆炸的情況下形成。

編譯自/ scitechdaily