IB天文物理告訴你黑洞是如何形成的

經(jīng)過(guò)全球200多位科學(xué)家的努力，人類史上首張清晰的黑洞照片于北京時(shí)間10日21:00正式發(fā)布。包括中國(guó)科學(xué)院、上海天文臺(tái)在內(nèi)的一些國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)，也參與了此次國(guó)際合作。照片“主角”是室女座超巨橢圓星系M87中心的超大質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量是太陽(yáng)的65億倍，距離地球大約5500萬(wàn)光年。照片展示了一個(gè)中心為黑色的明亮環(huán)狀結(jié)構(gòu)，看上去有點(diǎn)像甜甜圈，其黑色部分是黑洞投下的“陰影”，明亮部分是繞黑洞高速旋轉(zhuǎn)的吸積盤(pán)。

那么，什么是黑洞？黑洞是如何形成的？黑洞和恒星，比如我們太陽(yáng)系的“主角”太陽(yáng)，有什么聯(lián)系，太陽(yáng)最終會(huì)變成一個(gè)黑洞嗎，What?is?the?fate?of?our?sun?and?other?stars？?Mandy老師從物理天文學(xué)的知識(shí)點(diǎn)出發(fā)給大家做一個(gè)解釋。

黑洞是什么？

黑洞，是一種奧秘的宇宙天體，它擁有極大的質(zhì)量，極小的體積，由于其極大的質(zhì)量而擁有極強(qiáng)的引力，任何東西靠近它，均無(wú)法從中逃離，甚至是光。那黑洞里面是什么樣子呢?有科學(xué)家猜測(cè)穿過(guò)黑洞能夠會(huì)抵達(dá)另一個(gè)空間，乃至是時(shí)空。黑洞也有不同的分類，包括宇宙大爆炸后不久形成的原初黑洞（Primordial?black?holes），恒星級(jí)質(zhì)量黑洞（Stellar-mass?black?holes），中等質(zhì)量黑洞（Intermediate-mass?black?holes）和超大質(zhì)量黑洞（Supermassive?black?holes）。

超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量從太陽(yáng)質(zhì)量的百萬(wàn)倍到上億倍，科學(xué)家認(rèn)為在所有星系的中心都存在超大質(zhì)量黑洞。現(xiàn)代天文學(xué)的一個(gè)主要研究領(lǐng)域便是這些超大質(zhì)量黑洞的形成機(jī)理，它們是一形成之初就是質(zhì)量如此之大呢？還是隨著時(shí)間質(zhì)量逐漸增大的呢？

恒星級(jí)質(zhì)量黑洞是如何形成的？

不同類型的黑洞起源不盡相同，目前，恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的形成機(jī)制最為明了，也是天文物理中所討論的黑洞形成機(jī)制。

故事要從恒星的起源說(shuō)起。宇宙中星系間（Intergalactic regions）存在有由hydrogen nuclei為主要成分的interstellar cloud, 稱為Nebula。所有的恒星都是從Nebula中孕育的，所以Nebula又被稱為“Stellar Nurseries”，是孕育恒星的搖籃。Nebula最初的起源便是宇宙大爆炸（Hot Big Bang）時(shí)產(chǎn)生的。由于Hydrogen質(zhì)量的存在，則相互間存在gravitational attraction，在引力的作用下進(jìn)行“抱團(tuán)”的動(dòng)作，這個(gè)“抱團(tuán)”的過(guò)程中，隨著引力勢(shì)能逐漸轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，??interstellar cloud的溫度升高，也伴隨著密度的增大。??這個(gè)過(guò)程如果能持續(xù)到溫度足夠高，質(zhì)量足夠大（HL的學(xué)生會(huì)學(xué)到星云的質(zhì)量需要滿足Jean's Criterion），hydrogen和hydrogen之間的nuclear fusion就能發(fā)生，那么，一個(gè)壯年的恒星（main sequence star）就形成了。

壯年恒星會(huì)占據(jù)一個(gè)恒星的大部分生命歷程。但是隨著hydrogen的消耗，恒星將不再是一個(gè)main sequence star，恒星將離開(kāi)main sequence。離開(kāi)Main sequence的星星的宿命將是什么呢？這里會(huì)存在兩條恒星演化的路徑，若恒星的質(zhì)量較大，稱為high-mass star，它將經(jīng)歷變?yōu)閞ed-super giant， helium burning super-giant，multiple-shell burning supergiant，之后會(huì)發(fā)生supernova（超新星）爆炸，爆炸之后的殘留物便形成一個(gè)中子星（Neutron Star）或者黑洞（Blackhole）。

恒星還存在另一個(gè)演化路徑。low-mass的star在壯年之后，會(huì)變?yōu)橐粋€(gè)red?gaint，之后也同樣進(jìn)行爆炸，此爆炸稱為planetary?nebula，留下的core成為一個(gè)White?Dwarf（白矮星）。參見(jiàn)下圖。一般認(rèn)為，小于4倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星是low-mass的。

總結(jié)一下，不管是哪種演化過(guò)程，終究會(huì)經(jīng)歷爆炸事件，決定最終是白矮星，還是中子星，亦或是黑洞的其實(shí)是爆炸后的殘留下的Core的質(zhì)量。若爆炸后的core小于1.4倍的太陽(yáng)質(zhì)量，此界限稱為Chandrasekhar Limit，那么最終將成為一個(gè)穩(wěn)定的白矮星。保持白矮星穩(wěn)定的是electron degeneracy pressure和gravitational attraction之間達(dá)到的平衡。

當(dāng)Core的質(zhì)量超過(guò)了Chandrasekhar Limit，但小于3倍的太陽(yáng)質(zhì)量，此界限稱為Oppenheimer-Volkoff Limit并且具體數(shù)值天文學(xué)家還不能準(zhǔn)確知道，那么最終將成為一個(gè)穩(wěn)定的中子星。保持中子星穩(wěn)定的是neutron degeneracy pressure和gravitational attraction之間達(dá)到的平衡。

黑洞終于要出現(xiàn)了！當(dāng)留下的core是一個(gè)超重核，質(zhì)量超過(guò)了上述所提到的Oppenheimer-Volkoff?Limit，那么爆炸后的core會(huì)坍縮成一個(gè)黑洞！故事講完了。從恒星的搖籃Nebula，成長(zhǎng)為壯年的main?sequence?star，再到衰老成red?giant或是super?red?giant，再到經(jīng)歷爆炸，最終形成白矮星，中子星亦或是黑洞的演化過(guò)程可參考下面的一張圖。

結(jié)語(yǔ)

我們回到引言中的問(wèn)題，我們生活的太陽(yáng)系的“主角”——太陽(yáng)，會(huì)有一天演變?yōu)橐粋€(gè)黑洞嗎（同學(xué)們可以自己思考一下）？答案是否定的，太陽(yáng)的質(zhì)量不大，屬于low-mass star，目前的太陽(yáng)還是一顆壯年的星星，在太陽(yáng)衰老后將會(huì)變成一顆red giant，之后經(jīng)歷planetary nebula類型的爆炸，爆炸后的質(zhì)量肯定是小于太陽(yáng)質(zhì)量的，從而將肯定小于Chandrasekhar Limit，因此，質(zhì)量不大的太陽(yáng)不會(huì)成為一個(gè)黑洞，它的宿命是一顆白矮星。

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