超大質量恆星如何死亡？超新星、超超新星、還是直接坍塌成黑洞？

來自專欄 博科園

一顆足夠大的恆星，它不會像我們的太陽一樣發出一聲悲鳴，在數十億年的時間裡平穩燃燒，然後收縮成一個白矮星。相反，核心將會坍塌，導致一種失控的聚變反應，在超新星爆發時將恆星的外部分吹散，而內部坍縮成中子星或黑洞，至少傳統觀點是這樣認為的。

這是十七世紀仙后座星座中超新星的一個動態片段。周圍物質加上持續輻射電磁輻射都為殘餘物持續發光提供了作用。 圖片：NASA, ESA, and the Hubble Heritage STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration

博科園-科學科普：但如果恆星足夠大，超新星根本不可能出現，而是直接坍縮，即整個恆星消失，形成一個黑洞。還有一種被稱為超超新星，比超新星更有活力更亮，並且核心不會留下任何殘餘物。那些（超大質量）最大的恆星們將如何走向生命的盡頭？

超新星殘骸W49B中的星雲，在x射線、無線電和紅外波段仍然可見。這顆恆星質量至少是太陽的8-10倍，並且能創造出創造地球的必要重元素。圖片：X-ray: NASA/CXC/MIT/L.Lopez et al.; Infrared: Palomar; Radio: NSF/NRAO/VLA

每一顆恆星誕生時，都會將氫轉化為其核內的氦。像太陽一樣大的恆星，比木星大幾倍的紅矮星，比太陽質量大幾十倍或幾百倍的超大質量恆星都經歷了這一階段的核反應。恆星質量越大，其核心溫度越高，核燃料燃燒的速度越快。

當恆星的核心耗盡了氫來融合時，它會快速收縮和升溫，如果變得足夠熱和緻密，就開始融合更重的元素。一旦氫燃燒殆盡，它就會變得足夠熱，將氦熔化成碳，與太陽相似的恆星也是如此走向滅亡。大約是太陽質量8倍(或更多)的恆星才能進入下一個階段：碳融合（碳聚變）。

這顆超大質量恆星Wolf-Rayet 124和周圍的星雲顯示出它可能成為銀河系中變成超新星的恆星之一。它的質量超乎你的想像，而且可能已經進入了它生命的碳燃燒階段。圖片：Hubble Legacy Archive / A. Moffat / Judy Schmidy

如果恆星足夠大，那麼註定會有真正的宇宙煙火出現。不同於類似太陽的恆星在行星狀星雲中外殼被吹散並收縮成一個（富含碳和氧的）白矮星，或者從未達到氦燃燒的紅矮星，並簡單地收縮成一個（氦基）白矮星，最龐大的恆星註定要發生災難性事件。

最常見的，尤其是最低質量超過太陽質量20倍的恆星，核心溫度持續上升而後與更重的元素融合：從碳到氧、然後鎂、硅、硫相繼燃燒，最終形成鐵、鈷和鎳的核心。因為融合這些元素會消耗更多的能量，所以核心內爆地方也就是核坍塌的超新星形成之地。

這是一顆非常巨大恆星在其整個生命周期中的剖析圖，最終形成II型超新星。圖片：Nicole Rager Fuller for the NSF

對於宇宙中的大多數巨型恆星來說，這是一個光輝壯觀的結局。在宇宙所有恆星中，只有不到1%的恆星質量足夠大，並最終能實現這一命運。當進入越來越密集的區域時，龐大的恆星變得越來越罕見。宇宙中大約80%的恆星是紅矮星，只有太陽質量的為40%或更少。

太陽本身的質量比宇宙中95%的恆星都要大。夜晚的天空布滿了異常明亮的星星：人眼最容易看到的。然而在超新星的下限是太陽質量的幾十倍甚至數百倍。它們很罕見，但在宇宙中，它們非常重要，原因是超新星並不是這些巨型恆星存在或死亡的唯一方式。

氣泡星雲位於數千年前發生的超新星遺迹外圍，如果遙遠的超新星處於比它們現代同類更陰暗的環境中，這就需要修正我們目前對暗能量的理解。圖片：T.A. Rector/University of Alaska Anchorage, H. Schweiker/WIYN and NOAO/AURA/NSF

首先，許多大質量恆星都有流出和噴出物。隨著時間的推移，當它們接近生命的終點或某一特定的融合階段結束時，一些物質會導致核心短暫的收縮，進而導致溫度升高。當核心變得更熱時，所有類型的核聚變速率都會增加，從而導致恆星核心產生的能量迅速增加。

這種能量的增加可以釋放出大量物質，從而創造出一種被稱為超新星爆炸的事件：比任何正常的恆星都要亮，導致太陽質量數十倍的物質損失。在19世紀的時候，船底座海山二（下圖）變成了一顆超新星，但在它所創造的星雲內仍然在燃燒等待著最終命運。

19世紀「超新星爆炸」引發了一場巨大的噴發，從船底座海山二（Eeta CARNEAE）向星際介質噴出許多倍太陽物質。圖片：Nathan Smith (University of California, Berkeley), and NASA

那麼，一顆比太陽質量還要大20倍的恆星，最終命運是什麼樣呢？有三種可能，但不能完全確定驅動每一條可能性的條件。一個是已經討論過的超新星。如果整個恆星結構突然進入合適的質量範圍，任何失去足夠「物質」的超級大質量恆星都很容易變成超新星。但是還有另外兩個質量範圍，雖然我們不確定確切的數字是多少，但這必然會有另外兩種結果出現，因為這兩種結果已經被觀察到。

哈勃拍攝的可見光/近紅外照片顯示了一顆巨大恆星，其質量大約是太陽質量的25倍，但已經消失，而且沒有出現超新星。直接坍塌成黑洞是唯一合理的解釋。圖片：NASA/ESA/C. Kochanek (OSU)

直接坍塌形成黑洞：

當一顆恆星變成超新星時核心內爆，並可能形成中子星或黑洞，這取決於質量。但是就在去年，天文學家第一次觀測到一顆是太陽質量25倍的恆星消失，恆星不會沒有跡象就突然消失，但是對於可能發生的事情有自然規律解釋的：恆星核心停止產生足夠的外部輻射壓力來平衡引力，如果中心區域的密度足夠大，換句話說，如果足夠的質量被壓縮到足夠小體積內，就會形成一個視界——黑洞，然後黑洞可以將其他東西拉進去。

這一區域的眾多星團中，有一顆巨大的、短命的、明亮的藍色恆星尤為突出，在大約1000萬年的時間裡，大多數大規模的恆星將會在II型超新星爆炸中爆炸…或者直接坍塌成黑洞。圖片：ESO / VST survey

直接坍縮被認為一般發生在質量超過了200-250倍太陽質量的恆星上。但最近這種低質量恆星的坍塌引發了許多問題。也許我們並不了解恆星內核的內部結構，也不了解恆星的內部結構，也許還有多種方法可以讓恆星完全內爆，在不產生任何明顯物質的情況下消失。如果是這樣的話，通過直接坍縮形成黑洞可能比我們想像的要普遍得多，這可能是宇宙從非常早期開始形成其超大質量黑洞的一種非常巧妙方式。但另一種結果卻完全相反：進行了一場比超新星所能提供的更壯觀「燈光秀」。

如果有一顆恰好合適條件的恆星，那麼整個個體就會被炸開，不會留下任何殘餘物！圖片：NASA / Skyworks Digital

超超新星爆炸：

超超新星也被稱為超亮超新星，這一事件遠比其他超新星亮得多，並且會顯示出非常不同的光曲線（增亮和衰減模式）。主要解釋被稱為「雙失穩機制」。當把一個大質量物體（幾十萬到幾百萬倍的地球質量）坍縮成一個小體積時，它會釋放出大量的能量。理論上，如果足夠大的恆星，比如是太陽質量的100倍，那麼它所釋放出來的能量就會非常大，以至於單個光子會分裂成成對的電子和正電子。知道電子，但是正電子是電子的反物質對應物，它們很特別。

這張圖說明了被稱為SN 200 6Gy超新星事件的發生過程。當產生足夠高能量光子時，它們會產生電子/正電子對，造成壓力下降和失控反應，從而破壞恆星。圖片：NASA/CXC/M. Weiss

當正電子大量存在時，不可避免地會與其他電子發生碰撞。這種碰撞會導致兩者的湮滅，產生出兩種非常具體、高能量的伽馬射線光子。如果正電子(因此，伽馬射線)的產量足夠低，恆星的核心將保持穩定。但是如果伽馬射線的產生速度足夠快，所有這些多餘的511 keV光子將會讓核心不斷升溫。

換句話說，如果開始以一定的速度產生這些電子正電子對，但由於核心正在崩潰，所以生產它們的速度越來越快…核心持續升溫，但不能無限期地這樣，最終便導致了最壯觀的超新星爆炸：超超新星事件爆發，100+顆太陽質量的恆星被炸開！

這意味著超大質量恆星可能會造成四種結果：

1、一顆中子星和超新星遺迹，來自於低質量的超新星

2、一個黑洞和超新星遺迹，來自於更高質量的超新星

3、一個巨大的黑洞並且沒有殘骸，一顆巨大恆星直接坍塌

4、殘餘物的氣體，來自超新星爆炸

圖示（左）大質量恆星的最後階段，前超新星，硅正在燃燒。仙后座的錢德拉圖像（右）是一個超新星遺迹，今天顯示的元素如鐵（藍色）、硫（綠）和鎂（紅色），但這可能不是不可避免的。圖片：NASA/CXC/M.Weiss; X-ray: NASA/CXC/GSFC/U.Hwang & J.Laming

當我們看到一顆非常大的恆星時，很容易認為它會變成超新星，以黑洞或中子星的形式繼續存在。但在現實中，還有另外兩種結果可能會發生，並且經常發生在宇宙尺度上。科學家們仍在努力了解這些事件發生的時間和條件，但它們都會發生。下次你再看一顆比太陽大很多倍的恆星時，不要把「超新星」看作是一個必然的結論。這些天體中還有很多生命，它們的死亡也有很多可能性。

博科園-科學科普｜文：Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B