VTFS 243：没有爆炸迹象却神秘从夜空中消失的不寻常恒星系统

艺术家眼中的双星系统 VTFS 243。图片来源：ESOL.Calçada CC BY 4.0

有一天，位于太阳系中心的恒星--太阳--将开始膨胀，直到吞没地球。然后，它将变得越来越不稳定，直到最终收缩成一个小而致密的天体，即白矮星。

然而，如果太阳的重量级大约是它的八倍或更多，那么它很可能会在一声巨响中作为一颗超新星灭亡。它的坍缩将最终导致爆炸，以巨大的力量向太空喷射能量和质量，然后留下一颗中子星或一个黑洞。

虽然这些都是关于大质量恒星如何死亡的基本知识，但要了解星空，特别是这些恒星壮观的死亡过程，还有很多事情要做。

双星系统 VFTS 243 位于银河系外围的矮星系"大麦哲伦云"中。麦哲伦云是银河系的卫星星系。这些矮星系围绕银河中心运行，只有在南半球才能看到。在这里，它们出现在位于智利帕拉纳尔的欧洲南方天文台甚大望远镜（VLT）的辅助望远镜上方。图片来源：J. C. Muñoz/ESO

哥本哈根大学尼尔斯-玻尔研究所（Niels Bohr Institute）的天体物理学家们的新研究提出了迄今为止最有力的证据，证明质量非常大的恒星可以比超新星更隐蔽地死亡。事实上，他们的研究表明，只要恒星的质量足够大，它的引力就会如此强大，以至于在死亡时不会发生爆炸。相反，恒星会经历所谓的完全坍缩。

"我们认为，恒星的核心会在自身重量的作用下坍缩，大质量恒星在其生命的最后阶段也会发生这种情况。但是，这种坍缩并不是像太阳质量的八倍以上的恒星所预期的那样，最终导致一颗明亮的超新星爆炸，从而使银河系变得更加耀眼，而是持续坍缩，直到恒星变成一个黑洞，"这项研究的第一作者亚历杭德罗-维格纳-戈麦斯（Alejandro Vigna-Gómez）解释说，他在这项研究启动时还是尼尔斯玻尔研究所的一名博士后。

事实与神话：消失的恒星

近代以来，人们观测到许多恒星莫名其妙地消失了。

由天体物理学家克里斯-科查内克领导的"关于虚无的调查"就是积极寻找消失的恒星及其消失原因的研究工作的一个例子。

好奇的读者还可以深入了解历史描述。这些描述通常与突然发光的恒星消失有关，与超新星的情形一致。但也有其他关于恒星突然消失的故事，比如与昴宿星团（俗称七姐妹）有关的希腊神话。昴宿星团神话描述了泰坦阿特拉斯和仙女昴宿星的七个女儿。根据这个神话，他们的一个女儿嫁给了一个人类，然后躲了起来，这为我们为什么只能在昴宿星团中看到六颗星星提供了一个非常不科学但却美丽的解释。

这一发现与近年来引起天文学家兴趣的恒星消失现象有关，它可能为这类现象提供了一个明显的例子和一个合理的科学解释。

"如果有人仰望一颗正在经历完全坍缩的可见恒星，那么在适当的时候，可能就会像看到一颗恒星突然熄灭，从天际消失一样。坍缩是如此彻底，以至于没有爆炸发生，没有任何东西逃逸，人们也不会在夜空中看到任何明亮的超新星。实际上，天文学家近来已经观测到了明亮闪耀的恒星突然消失的现象。"亚历杭德罗-维格纳-戈麦斯（Alejandro Vigna-Gómez）说："我们无法确定两者之间是否存在联系，但我们通过分析 VFTS 243 获得的结果让我们更接近一个可信的解释。"

韦伯太空望远镜拍摄的VTFS 243所在的塔兰图拉星云。图片来源：NASA、ESA、CSA 和 STScI

没有爆炸迹象的不寻常恒星系统

最近，我们在银河系边缘观测到了一个不寻常的双星系统--VFTS 243，这一发现促使我们进行了研究。在这个系统中，一颗大恒星和一个质量大约是太阳10倍的黑洞相互环绕运行。

几十年前，科学家们就已经知道银河系中存在这样的双星系统，其中一颗恒星已经变成了黑洞。但最近在银河系外的大麦哲伦云中发现的 VFTS 243，才是真正特别的东西。

连光都无法从黑洞中逃逸。因此，黑洞无法被直接观测到。不过，有些黑洞可以被识别出来，因为围绕它们旋转的气体会释放出大量能量。还有一些黑洞，比如 VFTS 243，则可以通过它们对与其运行的恒星的影响来观测。

一般来说，天文学家认为黑洞有三种类型：

恒星黑洞--比如 VFTS 243 系统中的恒星黑洞--是质量超过太阳 8 倍的恒星坍缩时形成的。科学家们相信，仅在我们的银河系中就可能有多达 1 亿个这样的黑洞。

超大质量黑洞--质量是太阳的 10 万到 100 亿倍--被认为位于几乎所有星系的中心。人马座 A* 是位于银河系中心的超大质量黑洞。

长期以来，中质量黑洞（IMBH）--质量是太阳的 100-100,000 倍--一直是一个缺失的环节。近年来，出现了一些可信的候选者。

还有一些理论描述了尚未被发现的其他类型的黑洞。其中一种，即所谓的原始黑洞，应该是在宇宙早期形成的，理论上可能非常微小。

"通常情况下，恒星系统中的超新星事件发生后可以通过各种方式进行测量。但是，尽管VFTS 243包含一颗坍缩成黑洞的恒星，却找不到爆炸的痕迹。VFTS 243 是一个非同寻常的系统。"亚历杭德罗-维尼亚-戈麦斯（Alejandro Vigna-Gómez）说："自恒星坍缩成黑洞以来，该系统的轨道几乎没有发生变化。"

研究人员对观测数据进行了分析，以寻找恒星系统在过去经历过超新星爆炸后可能出现的一系列迹象。一般来说，他们发现这种事件的证据较少，难以令人信服。

这个系统并没有显示出明显的轨道物体加速的迹象。它的轨道也非常对称，几乎是完美的圆形，前恒星核心坍缩时释放能量的残留迹象表明，它的能量类型与完全坍缩一致。

尼尔斯-玻尔研究所的艾琳-坦博拉教授也参与了这项研究，她说："我们的分析明确指出，VFTS 243 中的黑洞很可能是立即形成的，能量主要是通过中微子流失的。"

未来研究的基准系统

坦波拉教授认为，VFTS 243 系统为最终将一系列天体物理学理论和模型计算与实际观测结果进行比较提供了可能。她预计，该恒星系统将对研究恒星演化和坍缩具有重要意义。

"我们的研究结果突出表明，VFTS 243 是迄今为止通过全坍缩形成恒星黑洞理论的最佳观测案例。这是对这些模型的一次重要的现实检验。我们当然希望这个系统能成为未来研究恒星演化和坍缩的重要基准，"教授说。

由于超新星在爆炸过程中会不对称地释放物质，因此它的狂暴力量会直接影响新生的中子星或黑洞。这就是研究人员所说的"原生踢"。这种踢力会使紧凑的天体加速。通常，"原生踢"会使中子星的可测量速度达到每秒 100-1000 公里。黑洞的速度预计会小一些，但仍然很显著。

由于 VFTS 243 系统中的黑洞似乎只被加速到了大约 4 公里/秒的速度，因此没有迹象表明它受到了巨大的原生撞击，就像它经历了超新星撞击所预期的那样。

同样，一个恒星系统轨道的对称性通常会显示出它受到过超新星剧烈爆炸冲击的迹象，因为会发生物质喷射。而研究人员却发现了对称性。

"VFTS的轨道几乎是圆形的，我们的分析表明，在坍缩过程中没有出现大的不对称迹象。这再次表明没有发生爆炸，"Alejandro Vigna Gomez 说。

通过分析双星系统的轨道，研究小组还计算出了黑洞形成过程中释放的质量和能量。

他们的估计符合这样一种假设，即恒星坍缩过程中产生的较小冲击力不是由重子物质（包括中子和质子）造成的，而是由所谓的中微子造成的。中微子的质量很小，相互作用非常微弱。这从另一个角度表明，该系统并没有经历爆炸。

编译来源：ScitechDaily