这颗失败的超新星，可能让我们第一次目睹黑洞的诞生

念小秋

△ N6946，又被称为“焰火星系”。（图片来源：Subaru Telescope & Robert Gendle）
2007年，距离地球2200万光年外的一颗红超巨星引起了天文学家的注意。这颗恒星位于N6946星系，因此被称为N6946-BH1。天文学家预期这颗在演化末期的恒星会经历一次剧烈的爆炸，成为超新星。但是N6946-BH1却让天文学家们大跌眼镜，它没有爆炸，而是慢慢地消失在视线之中。这导致他们怀疑自己第一次目睹了一个黑洞的诞生。

△ 蓝色圆圈所标记的是恒星N6946-BH1，在2015年的时候，它消失不见了。（图片来源：NASA, ESA, and C. Kochanek）
上图是由哈勃望远镜分别在2007年和2015年在同一可见光波段下拍摄的N6946-BH1。在2007年，我们能清晰地观测到那颗质量约为太阳25倍的恒星；而到了2015年，这颗恒星却莫名地消失了。
其中一种可能的解释是，N6946-BH1已经死亡并变成了一个黑洞。但人们普遍接受的理论告诉我们黑洞会通过超新星形成：如果一个恒星的质量足够大，在它演化的末期会爆炸释放出巨大能量，而内核会坍缩成很小的致密的点，产生光都无法逃逸的黑洞。而天文学家却发现 N6946-BH1并没有成功地形成超新星。
超新星的触发有两种不同形式：

• 第一种：恒星的引力会吸引周围的物质，使恒星在短时间内积累到足够质量从而坍缩；
  
• 第二种：质量约为太阳质量8到15倍的恒星在耗尽燃料后，会在自身的引力下坍缩。
  

在这两种情况下，当坍缩的气体从致密的核心被推回时，被挤压在一起的物质的碎屑都足以产生壮观的辐射。但似乎不是所有的恒星消亡过程都与我们的期望相符。鉴于宇宙中大质量恒星的存在情况来看，超新星的数量似乎远远不够。
N6946-BH1的质量是太阳的25倍，远远超过了能通过第二种超新星触发方式的极限。科学家对大质量恒星的坍缩形成黑洞已有较多研究，但对有些恒星最终会变成时空中一个黑暗致密的点的过程却了解甚少，他们甚至还不太会分辨出这些恒星。
2009年，一群天文学家利用位于亚利桑达的大双筒望远镜(LBT)对这颗“失败”的超新星进行进一步监测，发现它在2009年3月和5月之间变得特别明亮，但这个亮度仍远不及超新星所能发出的光亮。在持续了几个月的高亮度后，它开始逐渐变暗，到了2015年几乎在可见光波段中消失。

△ N6946-BH1的亮度在2009年时达到了峰值，但远不及超新星的亮度。（图片来源：NASA Goddard/Youtube）
在下结论前，天文学家检查了它是否有可能被尘埃遮挡的可能性，他们通过Spitzer太空望远镜(SST)对N6946-BH1进行了红外波段的观测，发现它虽仍有释放出红外辐射，却也在逐渐变弱。俄亥俄州的首席研究员克里斯托弗·柯夏内克（Christopher Kochanek）去年说：“其主旨是，没有恒星是可以完全隐匿在尘埃中的，所以可以确定的是无论现在在那里的是什么，它的亮度要比之前存在的恒星弱许多。”

△ 在红外波段下，N6946-BH1的亮度也在逐渐下降（红线）。（图片来源：NASA Goddard/Youtube）
所以看上去恒星真的慢慢消失了，而没有变成超新星。那这个过程中究竟发生了什么呢？它有没有可能还形成了黑洞呢？Kochanek说：“在失败的超新星模型的背景下，残留的光与新形成的黑洞所能释放的辐射的后期衰减相一致。” 简单来说，要在没有形成超新星的情况下仍有黑洞形成，还需有另一个过程进行。
在这一系列活动发生之前，N6946-BH1是一颗红超巨星，它有一个地球大小的致密核心，外围是一个巨大的主要为氢气的包层，它的大小就如同木星的公转轨道。氢包层与恒星的结合很弱，当恒星的核心坍缩时，中微子会带走部分能量使得引力质量降低约太阳质量的十分之几。这种下降足以产生一个能穿透包层的微弱的冲击波，将氢气向外推。这能使得恒星经历一个亮度约为太阳100万倍的短暂时期(约一年)，而即便如此，这个亮度也远远不及超新星。在包层被喷射的过程中，所有原子都被电离，在紧接着包层冷却的过程中，所有的电子又会再次束缚到原子上，并且释放出维持这个短暂时期的能量。
最近，Kochanek再次表示说：“我们普遍认为，恒星只有在超新星之后才能形成一个黑洞。如果恒星能在不形成超新星的情况下，而仍然形成黑洞的话，这有助于解释为何我们没有看到大多数的超大质量恒星变成超新星。”

△ 艺术描绘：失败的超新星，恒星外层被抛射并膨胀围绕着新诞生的黑洞。（图片来源：P. Jeffries (STScl)/NASA/ESA）
我们对有多少大质量恒星最终会“闪烁着暗暗退场”或是“轰轰烈烈的爆炸”还并不完全清楚，但是俄亥俄州立大学的斯科特亚当斯(Scott Adams)在他的博士课题中研究认为，“暗自退场”的概率可能高达近三分之一。Adams说：“N6946-BH1是我们在近七年的调查内发现的唯一一个可能‘失败’的超新星，在此期间，有六个正常的超新星在我们监测的星系内发生，这意味着有10％到30％的大质量恒星会以失败的超新星作为生命的终结。”
发现这颗“失败”的超新星的对天文学家带来的算是一种胜利，随着新技术的出现，我们开始可以利用引力波来研究大质量天体的天文现象，每一个新发现都将有助于我们更接近宇宙中最黑暗的部分。
为了确认这颗恒星是否真的变成了一个黑洞，天文学家计划分析由钱德拉X射线天文台所观测到的数据，从而能显露出落入黑洞的气体所发出的X射线。同时，他们也会继续通过哈勃望远镜对其位置进行监测，以防它再次出现在可见光波段下。天文学家也打算未来让韦伯太空望远镜也参与到对N6946-BH1在红外光下的观测，以防N6946-BH1只是隐藏在了Spitzer所不能探测到的更低温的尘埃里。
如果这颗“失败”的超新星真的得到确认，那么它带给我们的不仅是恒星不需要经过超新星爆炸才能形成黑洞的新理论，也将是我们第一次目击一个黑洞的诞生，从而掀开天文学的又一崭新篇章。

揭秘者

我们还要等多久才看到？