IB天文物理告訴你黑洞是如何形成的

經過全球200多位科學家的努力，人類史上首張清晰的黑洞照片于北京時間10日21:00正式發布。包括中國科學院、上海天文臺在內的一些國內機構，也參與了此次國際合作。照片“主角”是室女座超巨橢圓星系M87中心的超大質量黑洞，其質量是太陽的65億倍，距離地球大約5500萬光年。照片展示了一個中心為黑色的明亮環狀結構，看上去有點像甜甜圈，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的吸積盤。

那么，什么是黑洞？黑洞是如何形成的？黑洞和恒星，比如我們太陽系的“主角”太陽，有什么聯系，太陽最終會變成一個黑洞嗎，What?is?the?fate?of?our?sun?and?other?stars？?Mandy老師從物理天文學的知識點出發給大家做一個解釋。

黑洞是什么？

黑洞，是一種奧秘的宇宙天體，它擁有極大的質量，極小的體積，由于其極大的質量而擁有極強的引力，任何東西靠近它，均無法從中逃離，甚至是光。那黑洞里面是什么樣子呢?有科學家猜測穿過黑洞能夠會抵達另一個空間，乃至是時空。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），恒星級質量黑洞（Stellar-mass?black?holes），中等質量黑洞（Intermediate-mass?black?holes）和超大質量黑洞（Supermassive?black?holes）。

超大質量黑洞的質量從太陽質量的百萬倍到上億倍，科學家認為在所有星系的中心都存在超大質量黑洞。現代天文學的一個主要研究領域便是這些超大質量黑洞的形成機理，它們是一形成之初就是質量如此之大呢？還是隨著時間質量逐漸增大的呢？

恒星級質量黑洞是如何形成的？

不同類型的黑洞起源不盡相同，目前，恒星級質量黑洞的形成機制最為明了，也是天文物理中所討論的黑洞形成機制。

故事要從恒星的起源說起。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）時產生的。由于Hydrogen質量的存在，則相互間存在gravitational attraction，在引力的作用下進行“抱團”的動作，這個“抱團”的過程中，隨著引力勢能逐漸轉化為動能，??interstellar cloud的溫度升高，也伴隨著密度的增大。??這個過程如果能持續到溫度足夠高，質量足夠大（HL的學生會學到星云的質量需要滿足Jean's Criterion），hydrogen和hydrogen之間的nuclear fusion就能發生，那么，一個壯年的恒星（main sequence star）就形成了。

壯年恒星會占據一個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main sequence star，恒星將離開main sequence。離開Main sequence的星星的宿命將是什么呢？這里會存在兩條恒星演化的路徑，若恒星的質量較大，稱為high-mass star，它將經歷變為red-super giant， helium burning super-giant，multiple-shell burning supergiant，之后會發生supernova（超新星）爆炸，爆炸之后的殘留物便形成一個中子星（Neutron Star）或者黑洞（Blackhole）。

恒星還存在另一個演化路徑。low-mass的star在壯年之后，會變為一個red?gaint，之后也同樣進行爆炸，此爆炸稱為planetary?nebula，留下的core成為一個White?Dwarf（白矮星）。參見下圖。一般認為，小于4倍太陽質量的恒星是low-mass的。

總結一下，不管是哪種演化過程，終究會經歷爆炸事件，決定最終是白矮星，還是中子星，亦或是黑洞的其實是爆炸后的殘留下的Core的質量。若爆炸后的core小于1.4倍的太陽質量，此界限稱為Chandrasekhar Limit，那么最終將成為一個穩定的白矮星。保持白矮星穩定的是electron degeneracy pressure和gravitational attraction之間達到的平衡。

當Core的質量超過了Chandrasekhar Limit，但小于3倍的太陽質量，此界限稱為Oppenheimer-Volkoff Limit并且具體數值天文學家還不能準確知道，那么最終將成為一個穩定的中子星。保持中子星穩定的是neutron degeneracy pressure和gravitational attraction之間達到的平衡。

黑洞終于要出現了！當留下的core是一個超重核，質量超過了上述所提到的Oppenheimer-Volkoff?Limit，那么爆炸后的core會坍縮成一個黑洞！故事講完了。從恒星的搖籃Nebula，成長為壯年的main?sequence?star，再到衰老成red?giant或是super?red?giant，再到經歷爆炸，最終形成白矮星，中子星亦或是黑洞的演化過程可參考下面的一張圖。

結語

我們回到引言中的問題，我們生活的太陽系的“主角”——太陽，會有一天演變為一個黑洞嗎（同學們可以自己思考一下）？答案是否定的，太陽的質量不大，屬于low-mass star，目前的太陽還是一顆壯年的星星，在太陽衰老后將會變成一顆red giant，之后經歷planetary nebula類型的爆炸，爆炸后的質量肯定是小于太陽質量的，從而將肯定小于Chandrasekhar Limit，因此，質量不大的太陽不會成為一個黑洞，它的宿命是一顆白矮星。