一般的な恒星進化理論によると、星は核融合燃料をすべて燃焼し尽くすと重力に引かれて中心核が崩壊を始める。太陽程度の質量の星はこの過程で徐々に縮小し、白色矮星として一生を終える。
一方、太陽質量の8倍を超える巨大な星は急激な重力崩壊の反動によって超新星爆発を起こし、その後中性子星かブラックホールになる。
しかし一部の科学者は、太陽質量の16倍を超える最重量級の星には超新星爆発モデルが当てはまらない可能性があると指摘している。これほど巨大な星の中心核は崩壊速度が速すぎて、超新星爆発を起こす間もなくブラックホールになってしまう可能性があるという。
彼らはこの主張の根拠として、通常超新星が発見されると過去の観測データから爆発前の元の星（前駆星）を特定できるが、太陽質量16倍以上の前駆星は見つかっていない点を挙げている。
だが「失敗した超新星（failed supernova）」の現場を捉えるのは非常に困難だ。天の川銀河での超新星爆発は1世紀に数回程度と稀で、他の銀河は遠すぎて観測が難しいためだ。
コロンビア大学の研究チームが地球に最も近い大型銀河であるアンドロメダ銀河で、これに該当する事例を発見し、国際学術誌『サイエンス』で発表した。
研究チームは現在退役したNASAの赤外線宇宙望遠鏡NEOWISEの観測データを調べていたところ、アンドロメダ銀河で2014年に明るくなり数年後に暗くなった星「M31-2014-DS1」を発見した。2023年にハッブル宇宙望遠鏡でこの星の現在の姿を観測しようとしたが、光が極めて微かで可視光カメラには全く捉えられなかった。結局、研究チームは強力な赤外線観測能力を持つジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を用いて、この天体を観測することができた。
研究チームが最近arXiv（アーカイブ）に公開した観測結果によると、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は秒速100kmで膨張する極めて微かな光のガスと塵の殻を捉えた。研究チームはこれが核崩壊直前に放出された星の外層だと推測した。元の星は太陽質量の13倍だったが、現在はほとんどの物質を放出し太陽質量の5倍まで減少していた。研究チームは「星の明るさが劇的に継続的に減少する現象は極めて異例で、これは超新星爆発が起こらず星の核が直接ブラックホールに崩壊したことを示唆する」と述べた。
研究チームは、検証のためチャンドラX線観測衛星を使って再度この星を観測した。その結果、ブラックホールが物質を吸い込む際に通常放出されるX線が検出されなかった。しかし、これは予想された結果だった。ガスと塵の殻がブラックホールから放出されるX線や他の光を吸収した後、加熱されて赤外線の形で再放出するためだ。
失敗した超新星、至る所にブラックホールを生み出した可能性
今回の研究を主導したキシャレイ・デ教授（天文学）は「この程度の質量を持つ星は常に超新星として爆発すると考えられてきた」とし、「しかし、この星が爆発しなかった事実は、同じ質量の星でも爆発に成功する場合と失敗する場合があることを示唆する」と述べた。彼は「これはおそらく死にゆく星の内部で重力とガス圧、そして強力な衝撃波が複雑に相互作用するためだろう」と説明した。
しかし、この研究に参加していないリバプール・ジョン・ムーアズ大学のエマ・ビーザー教授（天文学）は、この星を失敗した超新星と断定するのは無理があると学術誌『サイエンス』に語った。元の星の質量である太陽の13倍は、失敗した超新星モデルを適用するには軽すぎるというのだ。彼女はまた、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡とチャンドラX線観測衛星のデータは「二つの星の合体」によって生じた可能性もあると付け加えた。二つの星が一つに合体することで膨大な量の塵が生成され、星の光を完全に覆い隠してしまった可能性もあるという。
今回の研究が主張するように、比較的質量の小さい星でも直接ブラックホールに崩壊する可能性があるなら、失敗した超新星は科学者たちが考えているよりもずっと一般的かもしれない。
ビーザー教授は、もし失敗した超新星が事実なら、これは銀河進化に関して重要な意味を持つと述べた。超新星は鉄やカルシウムといった重元素を宇宙に供給する役割を果たすが、超新星爆発が珍しいなら、銀河の進化速度は予想よりもはるかに遅い可能性があるという。
また、失敗した超新星は物質を外部に多く放出しないため、ブラックホールをより効率的に生成できる。これは科学者たちの予想よりも重いブラックホール同士の衝突による重力波検出を説明できるかもしれない。
デ教授は「巨大な星が爆発もせずに跡形もなく消え去ったのに、5年以上も誰も気づかなかったという事実は衝撃的だ」と述べ、「今回の研究はブラックホールに至るこの種の恒星崩壊が科学者たちの想定よりも頻繁に起こる可能性を示唆している」と語った。
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