仙女座星系M31。T. Rector / B. Wolpa / NOAO / AURA / NSF

我們知道恒星也是有壽命的。低質量恒星會緩慢熄滅；中等質量的恒星（如太陽）會先變成行星狀星云，然后變成白矮星，最后緩慢熄滅，成為所謂的黑矮星；而質量至少相當于8個太陽的大質量恒星會在生命的盡頭爆炸，變成超新星——在幾個月之內，它的亮度會超過整個星系恒星亮度的總和，絢爛無比——并在最后留下一個黑洞或中子星。

但是，天文學家也曾發現過一些不動聲色就突然消失的恒星。由于毫無征兆，連研究起來也相當困難。

近日以麻省理工學院卡夫利天體物理學和空間研究所Kishalay De為首的一批學者，對M31星系（仙女座星系）內一顆大質量超巨星神秘消失的過程進行了研究。他們認為，這顆恒星實際上是未經歷爆發，就悄然變成了黑洞。

研究人員注意到，這顆編號為M31-2014-DS1的恒星在2014年時曾被人在中紅外波段上拍到，且相當明亮。其亮度相當穩定，維持了大約1000天。而從2016年開始直至2019年，它的亮度衰退得相當明顯，且這種衰退無法用M31-2014-DS1的變星特性來解釋。到了2023年，天文學家在可見光和近紅外波段上都已經無法找到M31-2014-DS1的蹤影。

研究人員表示，這顆恒星在誕生時的初始質量大約相當于20個太陽，而當它進入晚期核燃燒階段時，質量只相當于大約6.7個太陽。觀測結果顯示，恒星周圍存在一個新近才被拋出的塵埃殼，符合超新星爆發的行為特征，但卻沒有發現任何可見光爆發的證據。

M31-2014-DS1亮度衰退的顯著性和持續性，在進入演化晚期的大質量恒星中是罕見的。其亮度的突然衰減暗示其內部的核燃燒發生了終結，且由外向內塌落的物質壓制了由內向外產生的沖擊波。而通常的超新星爆發產生的沖擊波總是很強大，能夠完全壓制向內塌落的物質。換而言之，M31-2014-DS1是一顆失敗的超新星。

那究竟是一種什么樣的力量，能夠阻止一顆超新星完成它的爆發，即使它的質量在理論上已經足夠大呢？

超新星爆發是一種復雜的事件。其坍縮內核的密度之高可以用極端來形容：在那里，電子會被迫與質子結合在一起，形成中子，并釋放出中微子。這一過程被稱為中子化，它能導致強大的中微子爆發，其攜帶的能量相當于恒星剩余質量的10%，形成所謂的中微子沖擊。

中微子是中性的，且很少與普通物質發生相互作用。每秒有大約4000億個來自太陽的中微子穿越我們的身體。在致密的恒星內核，中微子的密度更是高得嚇人——在那里，部分中微子會將它們的能量轉移到周圍的恒星物質中，使物質升溫，進而產生沖擊波。

中微子沖擊時常會“失速”，但有時又能重新獲得速度。如果它重新獲得速度，就會引起爆發，將超新星的外層拋得老遠；但是如果它沒有重新獲得速度，沖擊波就會失能，導致恒星坍縮成黑洞。

研究人員認為，在M31-2014-DS1內部，中微子沖擊沒有能夠重新獲得速度。研究人員在估算了恒星的實際拋出物總量后發現，它遠低于理論上超新星爆發應當拋出的物質總量。這表明大部分恒星物質（大約相當于5個太陽的質量）向內塌落到了它的內核上，而這超出了中子星的質量上限。最終恒星以其98%的總質量，坍縮成了一個質量大約相當于6.5個太陽的黑洞。

M31-2014-DS1并非天文學家發現的唯一失敗超新星候選者。失敗的超新星非常難以研究，因為要識別它們，是要通過沒有發生的事件，而不是發生了的事件。超新星很容易識別，因為它們極為明亮，且出現得非常突然。即便是古代天文學家也目擊過不少。

除了M31-2014-DS1之外僅有的一顆被確認的失敗超新星發現于2009年。那是一顆紅超巨星，位于NGC 6946，也就是所謂的焰火星系。這顆超新星被命名為N6946-BH1，其質量大約相當于25個太陽。2009年，它的亮度一度增加到了太陽的100萬倍；但到了2015年，它在可見光譜上已經徹底消失，只剩下了一點昏暗的紅外輝光。

針對27個鄰近星系的監測結果顯示，20%至30%的大質量恒星會在生命終結時變成失敗的超新星，但迄今為止被確認的只有這兩顆。

參考
The disappearance of a massive star marking the birth of a black hole in M31
https://arxiv.org/abs/2410.14778