宇宙的坟墓——黑洞是如何形成的？

昨天，全球多地的天文研究机构同时召开新闻发布会，公布了人类历史上第一张黑洞照片，全世界爱好科学的人沸腾了。

其实，黑洞是宇宙中物质演化的残骸。星际物质由于万有引力作用聚合在一起，就会形成恒星和行星。恒星演化末期，会形成红巨星、红超巨星，然后放出行星状星云或者超新星喷发。恒星剩余部分按照质量的不同，就形成了白矮星、中子星和黑洞。

前一段时间做过一期关于恒星演化的节目，视频如下：

以下为根据视频整理的文字版：恒星是如何演化的？

1恒星的诞生

我们知道，像太阳这样可以发光发热的星球称为恒星。恒星其实也像人类一样，有出生、成长、壮年、衰老和死亡，这个过程就称为恒星的演化。在演化的过程中，有些恒星的确会发生诸如氦闪、超新星爆发等突然喷发，最终形成白矮星、中子星或黑洞。要了解这个过程，我们首先要了解恒星是如何形成的。

现代科学理论认为：所有的恒星最初都是由星际物质组成的。星际物质是散落在宇宙中的气体或固体，主要是氢和氦，以及少数的重元素。一片星际物质构成了星际云，星际云的质量和体积都非常巨大，直径可以超过100光年，质量可以达到600万个太阳质量。

星际物质之间存在万有引力，在漫长的时间里，万有引力会使得星际物质一点点聚集，直到形成一个质量较大的核心，这个质量较大的核心会产生更大的引力，又会进一步使星际物质聚集在一起。

收缩过程中，物质之间的引力势能逐渐释放，使得恒星核心温度越来越高。而且，由于质量和引力越来越大，组成核心的物质彼此发生挤压，使核心收缩，核心的压强越来越大。这个过程中的恒星我们称之为原恒星。

一旦核心的温度和压强达到了某个条件，就会引发氢的聚变，星球就开始发光发热，一颗恒星就诞生了。

2类太阳恒星的演化

按照恒星质量的不同，恒星演化的过程也不尽相同，但是它们都存在一个稳定的发光发热的阶段，这个阶段大概占了恒星寿命的90%， 这个阶段就称为主序星。

一般而言，质量越大的恒星，寿命越短，质量越小的恒星，寿命越长。中等质量的恒星（介于0.5倍太阳质量到10倍太阳质量之间）如太阳的寿命大约有100亿年。

这类恒星最初发生氢的聚变，并且靠自身强大的引力来束缚反应，使得核反应可以缓慢而平稳的进行。在这个过程中，引力和聚变产生的热压力平衡，使恒星的体积、发光功率都几乎不变。

据爱因斯坦的质能方程，恒星在聚变过程中其实在不停的损失质量。在主序星末期，中心部位的氢消耗殆尽，核反应减弱，辐射压无法与引力压抗衡，核心部位收缩。但是收缩又导致恒星内部的温度、压强的升高，引发核心区外围的氢开始聚变，恒星反而开始膨胀。这个阶段就称为红巨星阶段。

太阳大约还有50亿年会变为红巨星，主序星阶段的太阳体积是地球的130万倍，变为红巨星之后太阳体积会变为地球的100万亿倍，此时太阳的边缘刚好会到达地球轨道所在的位置，从而让地球不适合人类生存。

而且，在红巨星阶段，质量与太阳差不多的恒星可能会发生氦闪，也就是强烈的氦聚变，在几分钟的时间内释放出巨大的能量，形成能量爆发，这种能量足以摧毁整个地球，这也是小说《流浪地球》最后描述的灾难性场景。

随着恒星膨胀的进行，核心部位密度和温度都会下降，聚变减弱，引力又会重新占上风，这样一来太阳核心部位又会收缩，同时，恒星外层的一部分质量会被抛洒到宇宙当中，形成行星状星云，为下一代恒星的形成提供原料。

与太阳质量差不多大的恒星反复进行几次膨胀和收缩之后，寿命走向终点，聚变变得越来越弱，引力会将组成太阳的物质紧紧地挤压在一起。原子之间会产生电子简并压，这种压力是由于两个电子不能处于完全相同的状态（泡利不相容原理）产生的，它可以抵抗住太阳自身质量产生的引力，于是恒星就会变为一颗密度极大的星球——白矮星。太阳变成白矮星之后，它的体积会与目前的地球差不多大。

白矮星经过十分漫长的时间，会把自己仅存的一点能量也释放出去，在宇宙中成为一颗永恒而暗淡的黑矮星，这就是太阳的宿命。

3大质量恒星的演化

大质量的恒星命运有所不同。质量超过10倍太阳质量的恒星称为蓝巨星，蓝巨星的寿命非常短，例如人们在半人马座的方向上发现了一颗非常巨大而又十分明亮的恒星，它的发光亮度大约是太阳的一百多万倍，科学家们预测它的寿命只有大约300万年，就像打手枪一样快，于是就命名它为“手枪星”。

（与手枪星比起来太阳只是一个像素）

由于质量巨大，蓝巨星在主序星阶段末期会变为红超巨星，它的核心部位有极高的温度和巨大的压强，不仅可以发生氢的聚变，还可以进一步引发氦、氧、碳等元素的聚变，形成最终的聚变产物——铁。于是它的内部结构形成了一种类似洋葱的分层形态。

蓝巨星在演化末期变为红超巨星之后，也会产生类似红巨星的膨胀——收缩过程，将一部质量抛洒到宇宙当中。但是这个抛洒的过程比氦闪要更加强烈，人们称之为超新星爆发。

公元1054年时，中国宋朝的天文学家记录了一次超新星爆发。这次喷发向宇宙中挥洒了巨大的星际物质，形成了我们今天所谓的蟹状星云。

超新星喷发之后，剩余的核心部位会收缩，而且由于恒星质量巨大，此时连电子简并压都无法抵抗引力。如果恒星质量在1.44倍太阳质量和3倍太阳质量之间，电子会变钻入原子核内，依靠中子简并压抵抗引力，形成一颗稳定的的星球——中子星。

如果恒星质量再大一些，那么连中子简并压都无法抵抗引力，恒星核心会进一步收缩，中心部位形成一个质量无穷大的点——奇点。在奇点附近，会形成一个连光都无法逃脱的巨大引力势阱，这就是黑洞。这样，一颗恒星的命运就彻底终结了。

所以说，黑洞其实是大质量恒星死亡后留下的残骸，黑洞是宇宙的坟墓。随着时间的流逝，宇宙中的黑洞可能越来越多。

不过大家不要为宇宙担心，在超新星爆发之后喷发出的星际物质和红巨星喷发出的行星状星云，会重新一点点聚合，形成新的恒星，太阳就是在上一次超新星爆发中形成的。

宇宙如同生物，如此生生不息。

李永乐

李永乐老师：北京大学物理与经济双学士，清华大学电子工程硕士；北京市中学物理教师/物理竞赛教练。从教十年，培养清华北大学生200余人，国际奥赛、亚洲奥赛、国家奥赛金牌十余名。

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