宇宙的演进17:恒星是怎么演化成黑洞的?

能演化成黑洞的恒星都是质量比较大的,比如超过太阳质量20-30倍以上,因为引力坍缩要突破中子简并态的质量有一个下限,大约是电子简并态的内核要达到3.2个太阳质量以上,那么它将无可避免地被突破这一层窗户纸,直达暗黑无解的天体黑洞!


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费米子不相容的简并态

曾经最早是形容电子的,这在量子力学的发展史上可谓是浓墨重彩的一笔,泡利在1925年通过分析试验得到的结果!早在1913年玻尔就提出了他量子化并不彻底的原子模型,中心是原子核,电子分别在不同能级的轨道上做运动,电子在临近的轨道之间可以通过跃迁来相互转变,但这对于电子是不稳定的,它会重新回到自己的轨道(能级)上来,这个称谓基态,相当于电子的水平面!


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玻尔的模型成功解释了氢原子的谱线,但哪怕是两个电子的氦原子上尝试解释都不成功,因此在1922年玻尔又建立了递建原理,给出了原子中电子排布原则是电子会占据最低能量空位,但根据能量最低原理,理论上电子都应该会围绕在原子核周围的最低能量电子层。


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泡利获得博士学位后成为波恩的助手期间,为原子光谱学中的反常塞曼效应所困扰,而且他对对应的电子层最多能够容纳的电子数量排序:2、8、28、32这个整数列很感兴趣,他在1924年受到了爱德蒙·斯通纳最先给出各个原子的正确电子排布的论文启发,提出了每个填满的电子亚层都拥有2(2L+1)个电子,因为每一个电子都只能占据一个独特的量子态,在1925年泡利正式提出了著名的不相容原理!


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所以从原子级别开始压缩后,对抗引力坍缩的不是四大作用力,而是费米子泡利不相容的简并力,这个力可比想象的要强大得多,太阳的内核最终坍缩而成的不过是白矮星,而号称宇宙中“最大”的恒星盾牌座UY最终不过坍缩成中子星而已,最后阶段费米子中子的简并力支撑下不再坍缩,形成中子星!

但大麦哲伦星系蜘蛛星云中的R136a1未来的最终能够坍缩成黑洞,因为它质量够大,引力坍缩可以突破中子简并态,直接将其压缩为没有物理尺寸的一个奇点!


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各种质量的恒星未来发展

其实黑洞并非只有恒星演化一条路

恒星终极回归就是黑洞,但恒星并不是黑洞形成的唯一通道,宇宙大爆炸初期形成的原初黑洞就是其中另一条路子,这种黑洞不受奥本海默极限限制,因此它们可以形成极大或者极小的黑洞,当然我们今天讨论的黑洞寿命也只能是原初黑洞,因为恒星级黑洞的寿命实在是太久了!

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