大质量恒星直接坍缩形成黑洞

　　原文标题：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
　　来自：哈勃官网； 发表时间：2017.5.25
　　翻译：gohomeman1  审校：数星星的猫（编译版权所有，未经许可请勿转载）
　　2017.5.25：宇宙中，每秒都有恒星以超新星爆发死去。但是还有一些更大质量的恒星，却在默默死去：它们在自身引力下坍缩消失，身后只留下一个黑洞。本例中这颗歹命的恒星就是一例，它编号N6946-BH1，大约相当于25个太阳质量。2009年开始它逐渐变暗，到了2015年，竟然完全消失不见。研究团队结合了哈勃、斯必泽空间望远镜和大双筒望远镜的数据，经过仔细的分析、去除其他可能，最终得出结论：它只能变成黑洞。这可能是那些极大质量恒星的宿命。

　　哈勃拍摄的N6946-BH1前身星和当前位置区，分别由WFPC2摄于2007年，WFC3摄于2015年。大图：3.4MB，版权：NASA、ESA，研究者团队；下同。
　　本图分别由哈勃第二代广域行星相机（WFPC2）和第三代广域相机（WFC3）的紫外光学（UVIS）通道拍摄。2009年的哈勃维护任务中，WFPC2被WFC3替代，图像清晰度（分辨率）有了飞跃提升。图像都是伪彩配色：606nm（纳米）的红光，配色蓝；814nm的近红外光，黄。
　　天文学家观测到一颗垂死的大质量恒星，很可能变成了黑洞。天文学家动用美国、意大利、德国合作的大双筒望远镜（LBT），美国宇航局（NASA）和欧洲空间局（ESA）合作的哈勃太空望远镜，以及NASA的斯必泽（Spitzer）红外空间望远镜，对这颗败亡恒星的遗迹地进行搜寻，只为了发现恒星消失的真相。
　　它居然不是以超新星爆发壮烈就义，却像怨妇般呜咽而亡!
　　这颗恒星的质量达25个太阳，本该爆发成极为明亮的超新星。然而，它失败了——最终变成了黑洞。
　　俄亥俄州观测天文学杰出学者、俄亥俄州立大学Christopher Kochanek 教授介绍说，邻近星系中这颗“大质量的失败者”能够解释，为何天文学家没看到许多极大质量的恒星爆发为超新星。
　　据估算，看起来最多大约30%的此类恒星，可能安静地坍缩为黑洞——没有经过超新星爆发阶段。

　　N6946-BH1在NGCG 6946中的定位（那颗明亮的黄红色星）。
　　Kochanek 继续解释：“典型的观点认为，恒星变成黑洞，必须经过超新星阶段。假如恒星的坍缩极快，越过了超新星爆发的触发阶段，它就可能直接变成黑洞。这有助于解释许多大质量恒星为何没看到它变成超新星。”
　　由他领衔的天文学家团队，已经把他们最新的研究报告发表在《皇家天文学会月刊》上。
　　团队观测的对象是NGC 6946，一个昵称“焰火星系”的旋涡星系，之所以有此名称，是因为它那里爆发超新星像玩儿似的——刚刚2017.5.14就又有一颗SN 2014eaw，现在正接近最大光度。特别的，N6946-BH1（前面为星系编号，后面的BH是黑洞Black Hole的缩写，1是数字编号，译注）从2009开始变暗，到了2015年，它干脆完全熄灭了。
　　随着LBT进行的失败超新星巡天发现该恒星消失了，天文学家动用哈勃搜寻该区域，以确定是否该恒星仅仅是太暗了而看不见；他们还使用斯必泽空间望远镜以确定是否有可能的红外辐射存在（把各种可能性都找遍）。他们需要确认，恒星是否其实还在，不过恰好被一片星云给挡住了。
　　但是所有的努力都给出了否定的证据，恒星确实已经消失了。经过仔细的分析、排除，研究团队最终确定，这颗恒星必定变成黑洞。

　　N6946-BH1的历年光度变化，红色是红外波段。注意，2009年出现了光度明显变大的情况，可以看做假超新星爆发（本来就是一颗红超巨星）。
　　要通过本项目确定大质量恒星爆发失败的比例还为时过早，不过俄亥俄州大学的斯科特·亚当斯（Scott Adams），能初步给出估算。他就是通过这项研究工作获得了博士位。
　　亚当斯分析说：“我们进行了首期7年巡天观测，在该星系中发现了6颗正常的超新星，而N6946-BH1是唯一的疑似失败者。因此，大质量恒星的失败比例可能是10%~30%。”
　　他感慨道：“这只是触发我们开始那个巡天的部分原因。这个问题其实很重要，换句话说，假如所有的（较）大质量恒星都通过直接坍缩途径死亡，我们将只能看到很少的超新星。”（理论上存在很多争议，直接坍缩的下限有20个太阳质量左右的，也有30个的。另外这类较大质量的恒星，后期的恒星风损失的质量通常超过原始质量的一半，译注）
　　对研究报告合作者Krzysztof Stanek 来说，本发现真正有意义的地方在于，它可能揭示了超大质量黑洞的起源——那正是激光干涉引力波观测仪（LIGO）试图通过引力波振荡发现的。
　　作为俄亥俄州立大学的天文学教授，Stanek继续解说，虽然听起来不尽合理，但是一个大质量恒星可能经历过超新星阶段——抛出了外层的大量物质后，剩余的内核质量仍旧足以形成（相对）大质量黑洞，并被LIGO探测到。
　　Stanek最后总结道：“我猜想，假如连超新星阶段都不经过，那么形成大质量黑洞就非常容易。”

　　失败超新星的演示图。恒星外壳虽然抛出，但由于内核坍缩为黑洞而不是变成中子星，膨胀外壳没有获得足够的能量激发，尤其是关键的后期嬗变产能过程缺失，所以看起来就没有超新星现象。理论上，这种情况会产生长周期γ暴，但如果喷流不朝向我们（这种概率极大），我们就看不到后续的γ暴爆发余辉。大图：4.0MB