M31-2014-DS1 恒星直接坍缩为黑洞

M31-2014-DS1 是仙女座星系（Andromeda Galaxy）中一颗质量巨大、贫氢的超巨星。它在 2014 年的中红外光下变亮，随后到 2023 年，其可见光亮度骤降超过 10,000 倍，变得无法探测。观测表明，其核心在一场失败的超新星事件中直接坍缩成了一个恒星级黑洞，仅留下周围尘埃和气体发出的微弱红外余晖。这一天文学上的“独角兽”为恒星绕过剧烈爆炸进入最终演化状态提供了迄今为止最强有力的观测记录。

这项发现于 2026 年 2 月 12 日发表在《Science》杂志上，是在对仙女座星系进行广泛研究时偶然发现的。第一作者、天体物理学家 Kishalay De 是 Columbia University 的教授兼 Flatiron Institute 的研究员，他最初打算研究红外光下的恒星。相反，他的团队发现了一个异常的恒星天体，它在变亮后便彻底消失，引发了长达十年的关于恒星死亡和黑洞形成本质的调查。

为什么这颗恒星未能作为超新星爆发并形成黑洞？

这颗恒星未能作为超新星爆发，是因为其中微子驱动的冲击波太弱，无法抛出外层包层，导致核心在引力作用下向内坍缩。作为一颗初始质量约为 13 个太阳质量的贫氢恒星，它经历了核聚变的停止，导致直接内爆成黑洞，而没有发生典型的超新星爆发。这种现象通常被天文学家称为“失败的超新星”。

标准恒星演化模型表明，大质量恒星应以被称为超新星的耀眼爆炸结束生命，将重元素散布到宇宙各处。然而，在 M31-2014-DS1 的案例中，核心产生的内部压力不足以克服其自身质量产生的巨大引力。恒星的各层基本上被形成的奇点吞噬了，而不是剧烈地向外喷发，这一过程挑战了我们目前对邻近宇宙中存在多少黑洞的统计。

根据 De 的说法，这颗恒星在消失前表现出了他所描述的“临终前的喘息”。随着恒星接近终点，它剥落了外层，导致红外光谱中的亮度暂时增加。这种特定的信号——红外变亮后紧接着完全的可见光消失——现在成为了识别其他直接坍缩成黑洞而没有传统超新星烟火表演的恒星的路线图。

研究人员如何确认 M31-2014-DS1 的消失？

研究人员利用了来自 NASA 的 NEOWISE 任务和 Hubble Space Telescope 的长期存档数据，追踪了这颗恒星从可见超巨星到消失天体的突然转变。通过分析十年的红外和可见光记录，他们得以排除掉诸如移动尘埃云遮蔽恒星等替代性理论。数据显示多个波长的光度永久性消失，确认了整体结构的坍缩。

该研究利用了仙女座星系的近距离优势，该星系距离地球约 250 万光年。由于该星系是我们最近的邻居，其观测结果比以前的失败超新星候选者明显更亮、更易于检查。这种近距离使得团队能够拼凑出这颗恒星的完整历史，University of Chicago 的天体物理学家 Daniel Holz 将其比作在事后找到宇宙事件的“婴儿照”。

• NASA NEOWISE：提供了关键的中红外数据，显示了恒星最后的原始热特征。
• Hubble Space Telescope：确认了 2023 年后该恒星在可见光下的消失。
• 地面天文台：监测仙女座星系中恒星种群的突然变化。

其研究方法侧重于与恒星包层剥落相关的红外变亮。通过寻找这些“失败”的特征，而不是传统超新星的明亮闪光，团队发现他们可以识别出原本会被忽视的黑洞形成。这种方法论的转变表明，许多黑洞可能就隐藏在众目睽睽之下，在整个星系历史中无声无息地形成。

JWST 的观测会确认黑洞的形成吗？

JWST 的观测尚未正式确认为已发表研究结果的一部分，尽管该望远镜的高灵敏度红外仪器是探测任何残留热余晖的理想工具。虽然目前来自 NEOWISE 和 Hubble 的证据为黑洞提供了强有力的间接支持，但通过探测吸积盘或周围气体的残余热量来进行直接确认仍是未来研究的目标。James Webb Space Telescope 可以为结案提供所需的决定性证据。

James Webb Space Telescope (JWST) 在该领域的作用是变革性的，因为它能够窥透宇宙尘埃，让科学家看到可见光望远镜无法看到的东西。对于 M31-2014-DS1，JWST 有可能探测到恒星的“燃尽的余烬”——即未落入事件视界的气体和尘埃辐射出的微弱热量。找到这种特定的红外特征将为直接坍缩事件的直接后果提供前所未有的视角。

尽管最初的报告中缺乏当前的 JWST 数据，但科学界仍保持乐观。这一发现的偶然性意味着 M31-2014-DS1 的坐标现在是深空成像的高优先级目标。确认在一个曾经存在大质量恒星的地方存在一个安静的、恒星级质量的黑洞，将验证数十年来关于恒星稳定性质量极限的理论物理学。

这对黑洞演化有何更广泛的影响？

这一发现表明，能够演变成黑洞的恒星范围比科学界此前预期的要广泛得多。研究发现，M31-2014-DS1 在死亡时约为太阳质量的五倍——大约是目前模型名义上预期的直接坍缩候选者尺寸的一半。这一发现意味着更小、质量更轻的恒星也可能绕过超新星阶段。

这对恒星演化模型的影响是巨大的。如果更大比例的恒星直接坍缩成黑洞，这就解释了“消失的超新星”问题，即天文学家观测到的爆炸次数少于大质量恒星从视线中消失的数量所暗示的次数。这也意味着像银河系和仙女座星系这样的星系中，黑洞的总数可能比之前的估计要高得多。

未来的研究现在将集中在邻近星系中识别更多此类“天文学上的独角兽”。通过监测红外光谱中是否出现突然的闪烁及随后的永久性变暗，天体物理学家希望对宇宙中最神秘的天体建立更准确的普查。正如 Kishalay De 所指出的，这项研究“为我们指明了一种识别恒星消失的全新方法”，确保黑洞的无声诞生将不再被忽视。