當(dāng)?shù)貢r(shí)間10月6日，瑞典皇家科學(xué)院常任秘書戈蘭·漢松宣布，將2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)一半授予羅杰·彭羅斯（Roger Penrose），“因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)黑洞的形成是對(duì)廣義相對(duì)論的有力預(yù)測(cè)”。另外一半授予萊因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）和安德里亞·格茲（Andrea Ghez），因?yàn)樵阢y河系中心發(fā)現(xiàn)了一個(gè)超大質(zhì)量的致密天體，總獎(jiǎng)金為1000萬(wàn)瑞典克朗（約合760萬(wàn)人民幣）。

這一回科普作者可輕松了，把前兩年關(guān)于黑洞的科普再拿出來(lái)發(fā)一遍就可以了。之前我做過(guò)N期關(guān)于黑洞的科普視頻和文章，我們?cè)侔阉鼈円淮伟l(fā)出來(lái)。本期內(nèi)容為第二篇：黑洞是如何形成的？

其實(shí)，黑洞是宇宙中物質(zhì)演化的殘骸。星際物質(zhì)由于萬(wàn)有引力作用聚合在一起，就會(huì)形成恒星和行星。恒星演化末期，會(huì)形成紅巨星、紅超巨星，然后放出行星狀星云或者超新星噴發(fā)。恒星剩余部分按照質(zhì)量的不同，就形成了白矮星、中子星和黑洞。

關(guān)于這期的黑洞視頻內(nèi)容，可以點(diǎn)擊這里觀看。

1??恒星的誕生

我們知道，像太陽(yáng)這樣可以發(fā)光發(fā)熱的星球稱為恒星。恒星其實(shí)也像人類一樣，有出生、成長(zhǎng)、壯年、衰老和死亡，這個(gè)過(guò)程就稱為恒星的演化。在演化的過(guò)程中，有些恒星的確會(huì)發(fā)生諸如氦閃、超新星爆發(fā)等突然噴發(fā)，最終形成白矮星、中子星或黑洞。要了解這個(gè)過(guò)程，我們首先要了解恒星是如何形成的。

現(xiàn)代科學(xué)理論認(rèn)為：所有的恒星最初都是由星際物質(zhì)組成的。星際物質(zhì)是散落在宇宙中的氣體或固體，主要是氫和氦，以及少數(shù)的重元素。一片星際物質(zhì)構(gòu)成了星際云，星際云的質(zhì)量和體積都非常巨大，直徑可以超過(guò)100光年，質(zhì)量可以達(dá)到600萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。

星際物質(zhì)之間存在萬(wàn)有引力，在漫長(zhǎng)的時(shí)間里，萬(wàn)有引力會(huì)使得星際物質(zhì)一點(diǎn)點(diǎn)聚集，直到形成一個(gè)質(zhì)量較大的核心，這個(gè)質(zhì)量較大的核心會(huì)產(chǎn)生更大的引力，又會(huì)進(jìn)一步使星際物質(zhì)聚集在一起。

收縮過(guò)程中，物質(zhì)之間的引力勢(shì)能逐漸釋放，使得恒星核心溫度越來(lái)越高。而且，由于質(zhì)量和引力越來(lái)越大，組成核心的物質(zhì)彼此發(fā)生擠壓，使核心收縮，核心的壓強(qiáng)越來(lái)越大。這個(gè)過(guò)程中的恒星我們稱之為原恒星。

一旦核心的溫度和壓強(qiáng)達(dá)到了某個(gè)條件，就會(huì)引發(fā)氫的聚變，星球就開始發(fā)光發(fā)熱，一顆恒星就誕生了。

2??類太陽(yáng)恒星的演化

按照恒星質(zhì)量的不同，恒星演化的過(guò)程也不盡相同，但是它們都存在一個(gè)穩(wěn)定的發(fā)光發(fā)熱的階段，這個(gè)階段大概占了恒星壽命的90%，?這個(gè)階段就稱為主序星。

一般而言，質(zhì)量越大的恒星，壽命越短，質(zhì)量越小的恒星，壽命越長(zhǎng)。中等質(zhì)量的恒星（介于0.5倍太陽(yáng)質(zhì)量到10倍太陽(yáng)質(zhì)量之間）如太陽(yáng)的壽命大約有100億年。

這類恒星最初發(fā)生氫的聚變，并且靠自身強(qiáng)大的引力來(lái)束縛反應(yīng)，使得核反應(yīng)可以緩慢而平穩(wěn)的進(jìn)行。在這個(gè)過(guò)程中，引力和聚變產(chǎn)生的熱壓力平衡，使恒星的體積、發(fā)光功率都幾乎不變。

據(jù)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程，恒星在聚變過(guò)程中其實(shí)在不停的損失質(zhì)量。在主序星末期，中心部位的氫消耗殆盡，核反應(yīng)減弱，輻射壓無(wú)法與引力壓抗衡，核心部位收縮。但是收縮又導(dǎo)致恒星內(nèi)部的溫度、壓強(qiáng)的升高，引發(fā)核心區(qū)外圍的氫開始聚變，恒星反而開始膨脹。這個(gè)階段就稱為紅巨星階段。

太陽(yáng)大約還有50億年會(huì)變?yōu)榧t巨星，主序星階段的太陽(yáng)體積是地球的130萬(wàn)倍，變?yōu)榧t巨星之后太陽(yáng)體積會(huì)變?yōu)榈厍虻?00萬(wàn)億倍，此時(shí)太陽(yáng)的邊緣剛好會(huì)到達(dá)地球軌道所在的位置，從而讓地球不適合人類生存。

而且，在紅巨星階段，質(zhì)量與太陽(yáng)差不多的恒星可能會(huì)發(fā)生氦閃，也就是強(qiáng)烈的氦聚變，在幾分鐘的時(shí)間內(nèi)釋放出巨大的能量，形成能量爆發(fā)，這種能量足以摧毀整個(gè)地球，這也是小說(shuō)《流浪地球》最后描述的災(zāi)難性場(chǎng)景。

隨著恒星膨脹的進(jìn)行，核心部位密度和溫度都會(huì)下降，聚變減弱，引力又會(huì)重新占上風(fēng)，這樣一來(lái)太陽(yáng)核心部位又會(huì)收縮，同時(shí)，恒星外層的一部分質(zhì)量會(huì)被拋灑到宇宙當(dāng)中，形成行星狀星云，為下一代恒星的形成提供原料。

與太陽(yáng)質(zhì)量差不多大的恒星反復(fù)進(jìn)行幾次膨脹和收縮之后，壽命走向終點(diǎn)，聚變變得越來(lái)越弱，引力會(huì)將組成太陽(yáng)的物質(zhì)緊緊地?cái)D壓在一起。原子之間會(huì)產(chǎn)生電子簡(jiǎn)并壓，這種壓力是由于兩個(gè)電子不能處于完全相同的狀態(tài)（泡利不相容原理）產(chǎn)生的，它可以抵抗住太陽(yáng)自身質(zhì)量產(chǎn)生的引力，于是恒星就會(huì)變?yōu)橐活w密度極大的星球——白矮星。太陽(yáng)變成白矮星之后，它的體積會(huì)與目前的地球差不多大。

白矮星經(jīng)過(guò)十分漫長(zhǎng)的時(shí)間，會(huì)把自己僅存的一點(diǎn)能量也釋放出去，在宇宙中成為一顆永恒而暗淡的黑矮星，這就是太陽(yáng)的宿命。

3??大質(zhì)量恒星的演化

大質(zhì)量的恒星命運(yùn)有所不同。質(zhì)量超過(guò)10倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星稱為藍(lán)巨星，藍(lán)巨星的壽命非常短，例如人們?cè)诎肴笋R座的方向上發(fā)現(xiàn)了一顆非常巨大而又十分明亮的恒星，它的發(fā)光亮度大約是太陽(yáng)的一百多萬(wàn)倍，科學(xué)家們預(yù)測(cè)它的壽命只有大約300萬(wàn)年，就像打手槍一樣快，于是就命名它為“手槍星”。

由于質(zhì)量巨大，藍(lán)巨星在主序星階段末期會(huì)變?yōu)榧t超巨星，它的核心部位有極高的溫度和巨大的壓強(qiáng)，不僅可以發(fā)生氫的聚變，還可以進(jìn)一步引發(fā)氦、氧、碳等元素的聚變，形成最終的聚變產(chǎn)物——鐵。于是它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成了一種類似洋蔥的分層形態(tài)。

藍(lán)巨星在演化末期變?yōu)榧t超巨星之后，也會(huì)產(chǎn)生類似紅巨星的膨脹——收縮過(guò)程，將一部質(zhì)量拋灑到宇宙當(dāng)中。但是這個(gè)拋灑的過(guò)程比氦閃要更加強(qiáng)烈，人們稱之為超新星爆發(fā)。

公元1054年時(shí)，中國(guó)宋朝的天文學(xué)家記錄了一次超新星爆發(fā)。這次噴發(fā)向宇宙中揮灑了巨大的星際物質(zhì)，形成了我們今天所謂的蟹狀星云。

超新星噴發(fā)之后，剩余的核心部位會(huì)收縮，而且由于恒星質(zhì)量巨大，此時(shí)連電子簡(jiǎn)并壓都無(wú)法抵抗引力。如果恒星質(zhì)量在1.44倍太陽(yáng)質(zhì)量和3倍太陽(yáng)質(zhì)量之間，電子會(huì)變鉆入原子核內(nèi)，依靠中子簡(jiǎn)并壓抵抗引力，形成一顆穩(wěn)定的的星球——中子星。

如果恒星質(zhì)量再大一些，那么連中子簡(jiǎn)并壓都無(wú)法抵抗引力，恒星核心會(huì)進(jìn)一步收縮，中心部位形成一個(gè)質(zhì)量無(wú)窮大的點(diǎn)——奇點(diǎn)。在奇點(diǎn)附近，會(huì)形成一個(gè)連光都無(wú)法逃脫的巨大引力勢(shì)阱，這就是黑洞。這樣，一顆恒星的命運(yùn)就徹底終結(jié)了。

所以說(shuō)，黑洞其實(shí)是大質(zhì)量恒星死亡后留下的殘骸，黑洞是宇宙的墳?zāi)?。隨著時(shí)間的流逝，宇宙中的黑洞可能越來(lái)越多。

不過(guò)大家不要為宇宙擔(dān)心，在超新星爆發(fā)之后噴發(fā)出的星際物質(zhì)和紅巨星噴發(fā)出的行星狀星云，會(huì)重新一點(diǎn)點(diǎn)聚合，形成新的恒星，太陽(yáng)就是在上一次超新星爆發(fā)中形成的。

宇宙如同生物，如此生生不息。

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