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黑洞,是大质量恒星死亡后形成的.所有的恒星都会有死亡的时候,但是,不是所有的恒星死亡后都会形成黑洞.质量小于个太阳质量的恒星会形成白矮星,小于2个太阳质量的会形成中子星,而大于2个太阳质量的恒星才会形成黑洞.

当一颗质量相当大的星体之核能耗尽(超新星爆发)后，残骸质量比太阳质量高3倍的恒星核心会演化成黑洞（若中子星有伴星，而中子星吸收足够伴星的物质，也能演化成黑洞)。在黑洞内，没有任何向外力能维持与重力平衡，因此，核心会一直塌缩下去，形成黑洞。 当物质掉进了事界，纵使以光速计算，也不能再走出来。 爱因斯坦以几何角度把黑洞解释为空间扭曲的洞，物质随空间而行，如果空间本身就是洞，是没有物质可逃出的。

黑洞”很容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”，其实不然。所谓“黑洞”，就是这样一种天体：它的引力场是如此之强，就连光也不能逃脱出来。 根据广义相对论，引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时，它的引力场对时空几乎没什么影响，从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半径越小，它对周围的时空弯曲作用就越大，朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。 等恒星的半径小到一特定值（天文学上叫“史瓦西半径”）时，就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时，恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。实际上黑洞真正是“隐形”的，等一会儿我们会讲到。 那么，黑洞是怎样形成的呢？其实，跟白矮星和中子星一样，黑洞很可能也是由恒星演化而来的。 我们曾经比较详细地介绍了白矮星和中子星形成的过程。当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料（氢），由中心产生的能量已经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体，重新有能力与压力平衡。 质量小一些的恒星主要演化成白矮星，质量比较大的恒星则有可能形成中子星。而根据科学家的计算，中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。如果超过了这个值，那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩。 这次，根据科学家的猜想，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”。而当它的半径一旦收缩到一定程度(史瓦西半径)，正象我们上面介绍的那样，巨大的引力就使得即使光也无法向外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。 与别的天体相比，黑洞是显得太特殊了。例如，黑洞有“隐身术”，人们无法直接观察到它，连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么，黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢？答案就是——弯曲的空间。我们都知道，光是沿直线传播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论，空间会在引力场作用下弯曲。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。形象地讲，好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。 在地球上，由于引力场作用很小，这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围，空间的这种变形非常大。这样，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。所以，我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样，这就是黑洞的隐身术。 更有趣的是，有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球，它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”，还同时看到它的侧面、甚至后背！ “黑洞”无疑是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一。许多科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着，新的理论也不断地提出。不过，这些当代天体物理学的最新成果不是在这里三言两语能说清楚的。有兴趣的朋友可以去参考专门的论著。 “黑洞”是一种天体：它的引力场强大得就连光也不能逃脱出来。根据广义 相对论，引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时，它的引力场对时空几乎没 什么影响，从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半 径越小，它对周围的时空弯曲作用就越大，朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间 返回恒星表面。 等恒星的半径小到一特定值（天文学上叫“史瓦西半径”）时，就连垂直表 面发射的光都被捕获了。到这时，恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像 宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。实际上黑洞真 正是“隐形”的，下面将会叙述。 黑洞是怎样形成的呢？其实，跟白矮星和中子星一样，黑洞很可能也是由恒 星演化而来的。我们曾经比较详细地介绍了白矮星和中子星形成的过程。当一颗 恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料（氢），由中心产生的能量已 经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳 的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体，重新有能力 与压力平衡。 质量小一些的恒星主要演化成白矮星，质量比较大的恒星则有可能形成中子 星。而根据科学家的计算，中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。如果超过 了这个值，那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩。 这次，根据科学家的猜想，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一 个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”。而当它的半径一旦收缩到一定程度 （史瓦西半径），正象我们上面介绍的那样，巨大的引力就使得即使光也无法向 外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。 与别的天体相比，黑洞是显得太特殊了。例如，黑洞有“隐身术”，人们无 法直接观察到它，连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么，黑洞是怎 么把自己隐藏起来的呢？答案就是——弯曲的空间。我们都知道，光是沿直线传 播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论，空间会在引力场作用下弯 曲。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线， 而是曲线。形象地讲，好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏 离了原来的方向。 在地球上，由于引力场作用很小，这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围， 空间的这种变形非常大。这样，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部 分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。 所以，我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样， 这就是黑洞的隐身术。 更有趣的是，有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球，它朝其它 方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能 看见这颗恒星的“脸”，还同时看到它的侧面、甚至后背！ “黑洞”无疑是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一。许多 科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着，新的理论也不断地提出。不过， 这些当代天体物理学的最新成果不是在这里三言两语能说清楚的。有兴趣的朋友 可以去参考专门的论著。 星系NGC4261 内黑洞周围的尘埃圆盘

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作者：王启儒

校对：牧夫天文校对组

后期：库特莉亚芙卡 李子琦

2018年8月12日帕克太阳探测器升空

Credit: NASA/Bill Ingalls

“

不管你是一名资深的天文爱好者，还是一个对星空了解不多的人，当你在一个晴朗的夜晚抬头仰望星空时，最先映入眼帘的一定会是那一颗颗跃动在黑暗苍穹之上的繁星——它们或明亮如炬，或暗淡无光、或红或黄——把那原本单一空旷的夜空点缀得多样多彩。这成千上万颗星星，几乎全部是恒星。说来也有趣，恒星同地球上的生命一样，有着属于各自的一生：它们有的刚刚诞生，稚嫩的内核萌生在朦胧的分子团温床里；有的正值壮年，通过剧烈的聚变反应向外发光放热；有的已步入中年，它们开始发福，体积变得硕大，但能量依旧不减；而有的垂垂老矣，发出暗淡微弱的星光，等待着结局的到来。但之后又是新的轮回！

梯度滤镜下的太阳

Credit：NASA Goddard，2017年12月

恒星诞生的温床

在冷暗物质（ΛCDM）标准宇宙学框架下，宇宙的结构是自下而上形成的：宇宙中的暗物质由于引力的不稳定性，慢慢聚集成越来越大的暗晕，暗晕中的重子物质经过冷却后坍缩形成星系。以著名的M31（仙女星系）为例，其内部含有大量的暗物质——这为恒星的诞生提供了最原始最强大的驱动力。它的核心，是一个密集而紧凑的星团，其中蕴含着从新恒星的诞生到老年恒星消亡的全过程。

M31，仙女座星系

Credit: printerset

产房——巨分子团

上述重子物质坍缩形成星系的过程中冷气体在小尺度上凝聚成团（巨分子云），恒星在其中诞生。分子气体形成恒星的过程会受到分子气体的温度和密度、星系的金属丰度、星系内部结构等因素的影响；与此同时，有大量理论和观测工作发现，星系间的相互作用能够使星系盘上的气体坍缩，促进恒星的形成。这里我们以M42（猎户座大星云）为例，M42是一个非常年轻的天体，其内部有着大量的年轻恒星，同时还有着非常多的星前天体。不得不说，M42是宇宙中恒星诞生最适宜的产房之一了。

M42，猎户座大星云

Credit: 梅西耶俱乐部

恒星“胚胎”-原恒星

上述巨分子团会受到诸如附近恒星爆发产生的激波等外力，从而打破其云团中压力与引力的平衡，云团开始收缩；又或者是随着带电粒子缓慢地漂移穿过限制其的磁场线，支撑气体的磁场开始减弱，致使巨分子团开始收缩。当坍缩开始时，由于引力不稳定性的持续作用，气体云团会自然地分裂成越来越小的物质团块。在此过程中，物质总质量介于倍太阳质量之间的碎块最终会形成类太阳的主序星；物质总质量介于倍太阳质量之间的碎块最终会形成低质量的矮星；物质总质量小于倍太阳质量的碎块最终会形成极低质量的褐矮星；物质总质量大于8倍太阳质量的碎块最终会形成大质量的巨星或超巨星。随着云团碎块继续收缩，它们的密度增加，最终使得光子难以逃逸出去。被俘获的辐射随之导致云团温度的上升，压力也随之增大，最终碎裂会停止。至此，巨分子团气体云团碎块开始变得像颗恒星了。稠密的、不透明的中心区域被称为原恒星。这里我们以金牛座T星（T Tauri）为例，它被发现于NGC 1555分子云附近，半径较大、温度极低，以至于还不足以引发氢聚变。以收缩产生的引力能量朝向主序带移动，大概一亿年后可以成为主序星。

金牛座T星

Credit：Wikipedia

类太阳恒星的形成

原恒星诞生于正在收缩的气体云团碎块中，尽管恒星诞生初期的“胚胎”形态已经形成，但其周围碎块仍然在收缩、碎裂，外围物质向内坍塌得越来越猛烈，原恒星质量不断增加，半径在引力的作用下不断减小。随着云团碎块收缩，它的自转速度不断增加，并且变得扁平，最终演化成为一个旋转的、直径在100AU（1AU为太阳与地球的平均距离）左右的原恒星盘，围绕着原恒星运行。原恒星内部的热量逐渐从炽热的中心扩散到较冷的表面，并从表面辐射到周围空间中去。如此产生的效果是——收缩的总体速度在下降，原恒星表面温度几乎不变，光度随着收缩而降低。此时的演化阶段通常会展现出强烈的表面活动，产生极其猛烈的原恒星风，密度要比从太阳流出的太阳风致密得多。终于，当原恒星质量变为倍太阳质量，半径收缩至一百万公里时，原恒星中心温度达到了足以引发核反应的一千万开尔文，位于核心的质子开始聚变成氦原子核，一颗类太阳恒星就此诞生。我们以半人马座α星A（Alpha Centauri）为例，它是一颗质量与太阳相仿位于主序带上的类太阳恒星。

半人马座α星与太阳的对比

Credit：Wikipedia

低质量恒星的形成

对于质量处于倍太阳质量的恒星，它的形成过程相似，只是低质量恒星的原恒星是由小质量的气体云团碎块聚合而成。由于星际云形成主序星所需的时间依赖于它的质量，因此对于质量小于太阳质量的星前天体，形成低质量恒星需要将近10亿年的时间。比邻星（Proxima Centauri）是上述半人马座α三合星的第三颗星，它是一颗红矮星，质量为太阳的倍，距地球光年。

比邻星

Credit: universe sandbox

“失败”的恒星——褐矮星

根据基础的理论模型，要使核心温度高到能够点燃核燃烧，气体所需的最小质量是倍太阳质量（80倍木星质量）。在巨分子团中，总有一些小质量气体碎块难以达到点燃核燃烧所需的质量下限，它们并没有转变为恒星，而是进一步冷却，最终变成致密的、黑暗的“渣块”——未燃烧物质的寒冷碎块——它们绕恒星旋转或在星际空间中流浪，这一类天体被命名为“褐矮星”。褐矮星的质量下限是13倍木星质量，在这个下限之上，恒星内核可以发生氘核聚变反应，由此产生的能量暂时可以用来抵御星体进一步坍缩，但是氘很快就会消耗完。如果星体质量超过了60倍木星质量，则坍缩后的中心温度可以使内核发生锂核和质子聚变生成氦核的反应（锂燃烧），同样，星体中原本少量的锂很快就会耗尽。临近质量上限（80倍木星质量）的褐矮星可能会在内核点燃氢，但是由于自身引力仍不够强大，氢燃烧产生的能量被“喷溅”散发，使得内核温度下降，氢燃烧很快被熄灭。

大质量恒星的形成

现在我们把视野放到8倍太阳质量以上的大质量恒星。已知所有恒星都是由原恒星演化而来，而巨分子云是原恒星的产房，星际云中质量较大的碎块倾向于产生质量较大的原恒星，并最终形成质量较大的恒星。不管它的质量有多大，原恒星的落脚点终究逃不过主序带范围。心宿二（Antares, α Scotpii）是一颗处于主序带上的红超巨星，其质量是太阳的倍；距离地球500光年，半径是太阳的680~800倍；全天区第十五亮星，它和火星是全天最红的两个天体。

心宿二与太阳的比例对应关系

恒星诞生了！太阳孕育着地球万物，繁星装扮着夜空！

参考材料：

[1]王有芬;邵正义.褐矮星的观测特征和搜寻.天文学进展.2013年(01):19-38

[2]王红岩.大质量中子星可包含超子.吉林大学学报(理学版).2020年(03):236-240

[3] 徐兰平.恒星的主序后演化.天文学进展.1989年(04):50-58

[4] 高扬;肖婷.星系中分子气体与恒星形成的研究进展.天文学进展.2020年(02):4-21

黑洞与白洞是一对兄弟，黑洞“吸”进去的东西从白洞“吐”出，我看过这方面的文章，但科学家还没有真正了解它们