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环球科学诺贝尔物理学奖揭晓授予黑洞研究！霍金或与诺奖擦肩而过( 二 )


假设有一颗质量是太阳两倍的恒星 。 和太阳类似 ， 在消耗了大部分原有的氢燃料之后 ， 它将膨胀得非常大 ， 然后再次收缩 。 但它不会进入稳定的平衡态而成为一颗白矮星 。 这颗恒星 ， 或者它的很大一部分将会坍缩得比白矮星更小 。 由于极端的温度和密度 ， 它将经历一个导致其发生灾变性爆发的过程 。 天文学家已经在我们的星系（最近的一颗由开普勒在1604年记载）和其他星系中观测到了这类爆发恒星 ， 并将其命名为超新星 。 一颗超新星的光度可以在数天内胜过整个星系 。 超新星爆发时可能抛掉了多达90%的物质 ， 仅剩下恒星坍缩了的核心 ， 藏在一团快速膨胀的气体云中心 。 （蟹状星云就是这样的气体云 。 ）这个核太小 ， 密度也太大了 ， 不可能是白矮星 ， 只能以一颗中子星的身份达到平衡状态 。
即使与白矮星比 ， 中子星也是很微小的 。 白矮星对中子星 ， 大小相差的悬殊程度甚至超过了太阳对白矮星的100：1 ， 可能也超过了红巨星对太阳的大约250：1 。 中子星半径可能只有10千米 ， 或者说只有白矮星半径的1/700 。 虽然白矮星的密度已经大得异乎寻常了 ， 但中子星的密度甚至比它还要大1亿倍 。 一个填满中子星物质的乒乓球 ， 质量相当于婚神星（Juno ， 直径约200千米）这样的小行星 。 中子星的密度与质子或中子相当；实际上 ， 一颗中子星可以看作一个超大的原子核 ， 两者只有一个本质上的差异：中子星是由引力而非核力束缚在一起的 。 中子星的大部分电子已经被压入质子 ， 导致质子变成了中子 。 现在 ， 作用于中子的泡利不相容原理提供了阻止中子星进一步收缩的等效压力 。
这套中子星理论是J·罗伯特·奥本海默（J. Robert Oppenheimer）、罗伯特·瑟伯（Robert Serber）和C·M·沃尔科夫（C. M. Volkoff）在1938年和1939年建立的 。 之后的很多年 ， 天文学家都质疑中子星是否真实存在 。 不过 ， 自1967年起 ， 观测方面的状况发生了巨大变化 。 在那一年 ， 天文学家发现了第一颗脉冲星 。 自那以后 ， 脉冲星理论发展迅速 。 现在我们几乎可以肯定 ， 脉冲星发出的射电和光学脉冲 ， 其能量和极端的规律性都源于旋转的中子星 。 至少有两颗脉冲星位于超新星遗迹中 ， 其中一个遗迹就是蟹状星云 ， 这进一步支持了脉冲星实际上就是中子星的理论 。
和白矮星的情形类似 ， 中子星也有一个最大质量 ， 在此之上它将无法阻止进一步的引力收缩 。 科学家对这个最大质量极限的确切数值还不是十分肯定 。 奥本海默和沃尔科夫在1939年最初给出的值大约为0.7倍太阳质量 。 后来的研究者给出的质量极限要更大一些 ， 最高的达到了3倍太阳质量 。 那些较高的极限值考虑到 ， 除了通常的中子和质子 ， 还可能存在名为超子的大质量亚原子粒子 。 无论如何 ， 正确的极限都不会超过数倍太阳质量 。 但是 ， 宇宙中存在超过50倍太阳质量的恒星 。 它们的最终命运是什么？恒星会在最终塌缩或更早的某些阶段不可避免地抛出大量物质 ， 使其质量总是小于稳定的白矮星或中子星所要求的极限吗？几乎完全不可能 。 那有没有可能存在什么其他形式的凝聚态物质 ， 其密度甚至超过中子星内部所能达到的最大值？
光都无法逃离的引力陷阱
理论告诉我们 ， 尽管物质可以达到更高的密度 ， 但获得更高密度的稳定平衡态是不可能的 。 引力效应会变得无法抗拒 ， 从而支配一切 。 牛顿引力理论不足以处理这种问题 ， 我们必须使用爱因斯坦的广义相对论 。 根据广义相对论 ， 我们得到了一种非常奇异的天体 ， 相比之下中子星看起来还算正常 。 这个最初由奥本海默和沃尔科夫提出的新天体获得了“黑洞”的称号 。
黑洞是一颗恒星（或一团恒星或其他天体）坍缩形成的空间区域 ， 光、物质或任何形式的信号都无法从这里逃离 。 中子星还要收缩多少才能变成一个黑洞？以质量与太阳相当的天体为例 ， 我们已经知道太阳的直径比中子星直径大7万倍 ， 红巨星直径比中子星直径大2000万倍 。 鉴于这些尺度上的巨大差异 ， 中子星只收缩到自身直径的大约三分之一就会变成黑洞 ， 这可能会令人吃惊 。 更大的黑洞也是可能存在的 ， 但它们是最终总质量大于太阳的恒星或天体的塌缩产物 ， 黑洞的直径与质量成正比 。


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