《SCIENCE》：Disappearance of a massive star in the Andromeda Galaxy due to formation of a black hole
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为解决大质量恒星演化终点“失败超新星”理论缺乏直接观测证据的问题，研究人员通过多波段监测仙女座星系超巨星M31-2014-DS1，发现其红外增亮后光学亮度骤降104倍并最终消失，证实了恒星包层回落后形成黑洞（BH）的物理过程，为理解黑洞起源提供了关键观测约束。
在浩瀚宇宙中，大质量恒星的“死亡”通常以一场绚丽的超新星爆发（supernova, SN）告终——核心坍缩释放的中微子激波将外层物质抛向太空，留下中子星或黑洞。然而理论预言，约三分之一的大质量恒星会经历“失败的谢幕”：激波能量不足导致包层未能逃逸，反而在引力作用下回落到坍缩核心，直接形成黑洞却不伴随可见的超新星。这种“消失的恒星”假说虽被提出数十年，却因观测难度极高（需持续数年跟踪单颗恒星的光变），始终缺乏实证支持。
2014年，天文学家在离地球最近的星系之一——仙女座星系（M31）中发现了一个异常信号：编号M31-2014-DS1的超巨星突然在红外波段增亮50%，随后其光学亮度如“断电”般急剧衰减。通过整合NEOWISE红外巡天、哈勃空间望远镜（HST）、盖亚卫星等十余个观测项目历时8年的数据，研究团队首次完整记录到这颗恒星“消失”的全过程：2017至2022年间，其光学亮度下降超过104倍，最终在2023年的观测中完全不可见，而红外增亮仅持续约900天且未出现超新星特征。这种“亮度骤降却不伴随爆炸”的现象，完美匹配“失败超新星”理论预测的关键特征。
为确认这一发现，研究团队采用多波段光谱能量分布（SED）建模技术，结合HST、斯皮策空间望远镜（SST）的 archival 数据，重构了恒星的演化轨迹。结果显示，该恒星初始质量约13倍太阳质量（M⊙），因晚期剧烈星风损失了大部分氢包层，最终形成仅5 M⊙的“氢匮乏型”超巨星。核心坍缩时注入约1047-1048erg的弱激波能量，仅能抛射0.1 M⊙物质，其余98%的质量在约1000天内通过“超爱丁顿吸积”过程落入新形成的黑洞。吸积初期，辐射被限制在爱丁顿光度（LEdd）附近，形成观测到的“光度平台期”；随着吸积率下降，亮度最终衰减至探测极限以下。
该研究首次通过观测证据链完整还原了黑洞形成的“静默模式”：从红外增亮（抛射物质形成尘埃壳）→光学骤降（包层回落）→持续衰减（吸积过程）→最终消失，每一步均与理论模型高度吻合。与2019年发现的候选体NGC 6946-BH1对比显示，二者均源于氢包层耗尽的超巨星，但M31-2014-DS1的快速衰减（约3年）更符合氢匮乏模型，而NGC 6946-BH1的缓慢变化（约8年）对应氢包层更厚的演化路径。这一发现不仅证实了“失败超新星”的真实性，更揭示了恒星初始质量与黑洞形成路径的非线性关系——质量相近的恒星可能因包层厚度差异走向截然不同的终点。
关键技术方法：研究整合了NEOWISE红外巡天（2009-2022）、HST、SST、盖亚卫星等多平台观测数据，对仙女座星系开展持续监测；采用图像差分算法筛选变量源，通过SED建模分析恒星物理参数；结合恒星演化模型与吸积理论，模拟包层回落与黑洞形成过程。
观测结果：
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消失过程可视化：通过对比2010-2022年NEOWISE图像（Fig. 1），证实M31-2014-DS1在2014年MIR增亮后逐渐消失，2022年HST观测显示光学波段完全不可见。
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光度演化特征：2014-2017年MIR增亮（尘埃壳形成）后，2017-2022年光学亮度下降104倍，总光度下降>10倍（Fig. 2），且红外未出现补偿性增亮，排除单纯尘埃遮蔽效应。
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恒星物理参数：SED拟合显示（Fig. 3），恒星有效温度Teff≈4500 K，光度L≈105L⊙，尘埃壳温度Td≈870 K，符合氢包层耗尽的黄超巨星特征。
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包层回落模拟：通过对比不同激波能量模型（Fig. 5），1047-1048erg能量注入可解释1000天光度平台期与后续衰减，对应约5 M⊙黑洞形成。
结论与讨论：本研究首次通过多波段观测证实“失败超新星”理论，揭示了恒星演化中“静默黑洞”形成的完整物理过程。M31-2014-DS1的快速消失（约3年）与NGC 6946-BH1的缓慢衰减（约8年）共同表明，氢包层厚度是决定黑洞形成路径的关键参数。该发现对理解恒星初始质量-黑洞质量关系、修正超新星发生率模型具有重要意义，并为未来通过大规模时域巡天（如薇拉·鲁宾天文台LSST）搜寻“消失的恒星”提供了观测范式。论文发表于《Science》，标志着人类在揭示宇宙“暗死亡”之谜的道路上迈出关键一步。
