當地時間10月6日，瑞典皇家科學院常任秘書戈蘭·漢松宣布，將2020年諾貝爾物理學獎一半授予羅傑·彭羅斯（Roger Penrose），「因為發現黑洞的形成是對廣義相對論的有力預測」。另外一半授予萊因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）和安德裡亞·格茲（Andrea Ghez），因為在銀河系中心發現了一個超大質量的緻密天體，總獎金為1000萬瑞典克朗（約合760萬人民幣）。
這一回科普作者可輕鬆了，把前兩年關於黑洞的科普再拿出來發一遍就可以了。之前我做過N期關於黑洞的科普視頻和文章，我們再把它們一次發出來。本期內容為第二篇：黑洞是如何形成的？
其實，黑洞是宇宙中物質演化的殘骸。星際物質由於萬有引力作用聚合在一起，就會形成恆星和行星。恆星演化末期，會形成紅巨星、紅超巨星，然後放出行星狀星雲或者超新星噴發。恆星剩餘部分按照質量的不同，就形成了白矮星、中子星和黑洞。
我們知道，像太陽這樣可以發光發熱的星球稱為恆星。恆星其實也像人類一樣，有出生、成長、壯年、衰老和死亡，這個過程就稱為恆星的演化。在演化的過程中，有些恆星的確會發生諸如氦閃、超新星爆發等突然噴發，最終形成白矮星、中子星或黑洞。要了解這個過程，我們首先要了解恆星是如何形成的。
現代科學理論認為：所有的恆星最初都是由星際物質組成的。星際物質是散落在宇宙中的氣體或固體，主要是氫和氦，以及少數的重元素。一片星際物質構成了星際雲，星際雲的質量和體積都非常巨大，直徑可以超過100光年，質量可以達到600萬個太陽質量。
星際物質之間存在萬有引力，在漫長的時間裡，萬有引力會使得星際物質一點點聚集，直到形成一個質量較大的核心，這個質量較大的核心會產生更大的引力，又會進一步使星際物質聚集在一起。
收縮過程中，物質之間的引力勢能逐漸釋放，使得恆星核心溫度越來越高。而且，由於質量和引力越來越大，組成核心的物質彼此發生擠壓，使核心收縮，核心的壓強越來越大。這個過程中的恆星我們稱之為原恆星。
一旦核心的溫度和壓強達到了某個條件，就會引發氫的聚變，星球就開始發光發熱，一顆恆星就誕生了。
按照恆星質量的不同，恆星演化的過程也不盡相同，但是它們都存在一個穩定的發光發熱的階段，這個階段大概佔了恆星壽命的90%， 這個階段就稱為主序星。
一般而言，質量越大的恆星，壽命越短，質量越小的恆星，壽命越長。中等質量的恆星（介於0.5倍太陽質量到10倍太陽質量之間）如太陽的壽命大約有100億年。
這類恆星最初發生氫的聚變，並且靠自身強大的引力來束縛反應，使得核反應可以緩慢而平穩的進行。在這個過程中，引力和聚變產生的熱壓力平衡，使恆星的體積、發光功率都幾乎不變。
據愛因斯坦的質能方程，恆星在聚變過程中其實在不停的損失質量。在主序星末期，中心部位的氫消耗殆盡，核反應減弱，輻射壓無法與引力壓抗衡，核心部位收縮。但是收縮又導致恆星內部的溫度、壓強的升高，引發核心區外圍的氫開始聚變，恆星反而開始膨脹。這個階段就稱為紅巨星階段。
太陽大約還有50億年會變為紅巨星，主序星階段的太陽體積是地球的130萬倍，變為紅巨星之後太陽體積會變為地球的100萬億倍，此時太陽的邊緣剛好會到達地球軌道所在的位置，從而讓地球不適合人類生存。
而且，在紅巨星階段，質量與太陽差不多的恆星可能會發生氦閃，也就是強烈的氦聚變，在幾分鐘的時間內釋放出巨大的能量，形成能量爆發，這種能量足以摧毀整個地球，這也是小說《流浪地球》最後描述的災難性場景。
隨著恆星膨脹的進行，核心部位密度和溫度都會下降，聚變減弱，引力又會重新佔上風，這樣一來太陽核心部位又會收縮，同時，恆星外層的一部分質量會被拋灑到宇宙當中，形成行星狀星雲，為下一代恆星的形成提供原料。
與太陽質量差不多大的恆星反覆進行幾次膨脹和收縮之後，壽命走向終點，聚變變得越來越弱，引力會將組成太陽的物質緊緊地擠壓在一起。原子之間會產生電子簡併壓，這種壓力是由於兩個電子不能處於完全相同的狀態（泡利不相容原理）產生的，它可以抵抗住太陽自身質量產生的引力，於是恆星就會變為一顆密度極大的星球——白矮星。太陽變成白矮星之後，它的體積會與目前的地球差不多大。
白矮星經過十分漫長的時間，會把自己僅存的一點能量也釋放出去，在宇宙中成為一顆永恆而暗淡的黑矮星，這就是太陽的宿命。
大質量的恆星命運有所不同。質量超過10倍太陽質量的恆星稱為藍巨星，藍巨星的壽命非常短，例如人們在半人馬座的方向上發現了一顆非常巨大而又十分明亮的恆星，它的發光亮度大約是太陽的一百多萬倍，科學家們預測它的壽命只有大約300萬年，就像打手槍一樣快，於是就命名它為「手槍星」。
（與手槍星比起來太陽只是一個像素）
由於質量巨大，藍巨星在主序星階段末期會變為紅超巨星，它的核心部位有極高的溫度和巨大的壓強，不僅可以發生氫的聚變，還可以進一步引發氦、氧、碳等元素的聚變，形成最終的聚變產物——鐵。於是它的內部結構形成了一種類似洋蔥的分層形態。
藍巨星在演化末期變為紅超巨星之後，也會產生類似紅巨星的膨脹——收縮過程，將一部質量拋灑到宇宙當中。但是這個拋灑的過程比氦閃要更加強烈，人們稱之為超新星爆發。
公元1054年時，中國宋朝的天文學家記錄了一次超新星爆發。這次噴發向宇宙中揮灑了巨大的星際物質，形成了我們今天所謂的蟹狀星雲。
超新星噴發之後，剩餘的核心部位會收縮，而且由於恆星質量巨大，此時連電子簡併壓都無法抵抗引力。如果恆星質量在1.44倍太陽質量和3倍太陽質量之間，電子會變鑽入原子核內，依靠中子簡併壓抵抗引力，形成一顆穩定的的星球——中子星。
如果恆星質量再大一些，那麼連中子簡併壓都無法抵抗引力，恆星核心會進一步收縮，中心部位形成一個質量無窮大的點——奇點。在奇點附近，會形成一個連光都無法逃脫的巨大引力勢阱，這就是黑洞。這樣，一顆恆星的命運就徹底終結了。
所以說，黑洞其實是大質量恆星死亡後留下的殘骸，黑洞是宇宙的墳墓。隨著時間的流逝，宇宙中的黑洞可能越來越多。
不過大家不要為宇宙擔心，在超新星爆發之後噴發出的星際物質和紅巨星噴發出的行星狀星雲，會重新一點點聚合，形成新的恆星，太陽就是在上一次超新星爆發中形成的。
宇宙如同生物，如此生生不息。
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