IB天文物理告诉你黑洞是如何形成的

经过全球200多位科学家的努力，人类史上首张清晰的黑洞照片于北京时间10日21:00正式发布。包括中国科学院、上海天文台在内的一些国内机构，也参与了此次国际合作。照片“主角”是室女座超巨椭圆星系M87中心的超大质量黑洞，其质量是太阳的65亿倍，距离地球大约5500万光年。照片展示了一个中心为黑色的明亮环状结构，看上去有点像甜甜圈，其黑色部分是黑洞投下的“阴影”，明亮部分是绕黑洞高速旋转的吸积盘。

那么，什么是黑洞？黑洞是如何形成的？黑洞和恒星，比如我们太阳系的“主角”太阳，有什么联系，太阳最终会变成一个黑洞吗，What is the fate of our sun and other stars？ Mandy老师从物理天文学的知识点出发给大家做一个解释。

黑洞是什么？

黑洞，是一种奥秘的宇宙天体，它拥有极大的质量，极小的体积，由于其极大的质量而拥有极强的引力，任何东西靠近它，均无法从中逃离，甚至是光。那黑洞里面是什么样子呢?有科学家猜测穿过黑洞能够会抵达另一个空间，乃至是时空。黑洞也有不同的分类，包括宇宙大爆炸后不久形成的原初黑洞（Primordial black holes），恒星级质量黑洞（Stellar-mass black holes），中等质量黑洞（Intermediate-mass black holes）和超大质量黑洞（Supermassive black holes）。

超大质量黑洞的质量从太阳质量的百万倍到上亿倍，科学家认为在所有星系的中心都存在超大质量黑洞。现代天文学的一个主要研究领域便是这些超大质量黑洞的形成机理，它们是一形成之初就是质量如此之大呢？还是随着时间质量逐渐增大的呢？

恒星级质量黑洞是如何形成的？

不同类型的黑洞起源不尽相同，目前，恒星级质量黑洞的形成机制最为明了，也是天文物理中所讨论的黑洞形成机制。

故事要从恒星的起源说起。宇宙中星系间（Intergalactic regions）存在有由hydrogen nuclei为主要成分的interstellar cloud, 称为Nebula。所有的恒星都是从Nebula中孕育的，所以Nebula又被称为“Stellar Nurseries”，是孕育恒星的摇篮。Nebula最初的起源便是宇宙大爆炸（Hot Big Bang）时产生的。由于Hydrogen质量的存在，则相互间存在gravitational attraction，在引力的作用下进行“抱团”的动作，这个“抱团”的过程中，随着引力势能逐渐转化为动能，  interstellar cloud的温度升高，也伴随着密度的增大。  这个过程如果能持续到温度足够高，质量足够大（HL的学生会学到星云的质量需要满足Jean's Criterion），hydrogen和hydrogen之间的nuclear fusion就能发生，那么，一个壮年的恒星（main sequence star）就形成了。

壮年恒星会占据一个恒星的大部分生命历程。但是随着hydrogen的消耗，恒星将不再是一个main sequence star，恒星将离开main sequence。离开Main sequence的星星的宿命将是什么呢？这里会存在两条恒星演化的路径，若恒星的质量较大，称为high-mass star，它将经历变为red-super giant， helium burning super-giant，multiple-shell burning supergiant，之后会发生supernova（超新星）爆炸，爆炸之后的残留物便形成一个中子星（Neutron Star）或者黑洞（Blackhole）。

恒星还存在另一个演化路径。low-mass的star在壮年之后，会变为一个red gaint，之后也同样进行爆炸，此爆炸称为planetary nebula，留下的core成为一个White Dwarf（白矮星）。参见下图。一般认为，小于4倍太阳质量的恒星是low-mass的。

总结一下，不管是哪种演化过程，终究会经历爆炸事件，决定最终是白矮星，还是中子星，亦或是黑洞的其实是爆炸后的残留下的Core的质量。若爆炸后的core小于1.4倍的太阳质量，此界限称为Chandrasekhar Limit，那么最终将成为一个稳定的白矮星。保持白矮星稳定的是electron degeneracy pressure和gravitational attraction之间达到的平衡。

当Core的质量超过了Chandrasekhar Limit，但小于3倍的太阳质量，此界限称为Oppenheimer-Volkoff Limit并且具体数值天文学家还不能准确知道，那么最终将成为一个稳定的中子星。保持中子星稳定的是neutron degeneracy pressure和gravitational attraction之间达到的平衡。

黑洞终于要出现了！当留下的core是一个超重核，质量超过了上述所提到的Oppenheimer-Volkoff Limit，那么爆炸后的core会坍缩成一个黑洞！故事讲完了。从恒星的摇篮Nebula，成长为壮年的main sequence star，再到衰老成red giant或是super red giant，再到经历爆炸，最终形成白矮星，中子星亦或是黑洞的演化过程可参考下面的一张图。

结语

我们回到引言中的问题，我们生活的太阳系的“主角”——太阳，会有一天演变为一个黑洞吗（同学们可以自己思考一下）？答案是否定的，太阳的质量不大，属于low-mass star，目前的太阳还是一颗壮年的星星，在太阳衰老后将会变成一颗red giant，之后经历planetary nebula类型的爆炸，爆炸后的质量肯定是小于太阳质量的，从而将肯定小于Chandrasekhar Limit，因此，质量不大的太阳不会成为一个黑洞，它的宿命是一颗白矮星。