為什么有些恒星會變成黑洞？

這個答案包括了引力和恒星內(nèi)部的熱壓力。這兩個力互相對抗恒星的引力作用于恒星表面的一大塊物質(zhì)，會導致物質(zhì)向內(nèi)下落。但恒星內(nèi)部的熱壓力，作用于恒星表面，會導致物質(zhì)向外飛。當兩者平衡時(即恒星將保持它的大小:既不坍縮也不膨脹。這就是目前太陽的情況，甚至是地球的情況。)

恒星（太陽）演化到晚期時，其中心區(qū)域聚變能量不足，致使熱壓力不足以抵御恒星自身引力的作用，從而發(fā)生引力坍縮。

一般來說，恒星的引力坍縮的結果是形成一顆致密星，比如白矮星、中子星、黑洞。對于質(zhì)量小于太陽質(zhì)量1.3倍的星體，泡利不相容原理引起的電子簡并壓力支撐自身重量，形成白矮星。質(zhì)量在太陽質(zhì)量1.3-3.2倍之間的星體，中子簡并壓力支撐自身重量，形成中子星。質(zhì)量大于太陽質(zhì)量3.2倍的星體，沒有任何結構可以支撐其自身的重量，它們將坍縮為黑洞。有些引力坍縮還伴有大量的能量釋放和物質(zhì)的拋射。例如，超新星爆發(fā)時，中心部分會坍縮形成致密星，而外部則被拋射到空間，形成超新星遺跡，整個過程釋放大量的能量。

因此，這顆恒星最終是否能成為一個黑洞。它僅僅取決于當另一個壓力源（不是由常壓熱產(chǎn)生的）變得足夠強大以至于平衡向內(nèi)的重力時，坍塌是否以較小的尺寸停止。除了熱氣產(chǎn)生的壓力外，還有其他形式的壓力。把你的手按在桌面上會讓你感受到其他的壓力---桌面會向上推你，實際上它可以支撐你的重量（引力）！使書桌對你的體重保持剛性的壓力是由書桌中原子間的作用力造成的。

此外，原子內(nèi)部的電子必須相互避免(例如，它們不可能都在同一個原子的“軌道”上——這被稱為“不相容原理”)。因此，如果我們有一個自由運動的電子的集合，它們也會互相避開:你越用力壓縮這個集合(它們被限制的體積越小)，它們就越反抗這種擠壓——一電子簡并壓力

這種“電子規(guī)避”壓力只有在恒星被重力壓縮到地球直徑時，才會變得足夠強大，與太陽質(zhì)量相當?shù)暮阈莾?nèi)部的引力相抗衡。因此，像太陽這么大的恒星在坍縮到地球那么大時，可以避免成為黑洞，內(nèi)部的“電子躲避”壓力(稱為“簡并電子壓力”)變得足夠強大，足以支撐起恒星。這種壓力并不取決于恒星的能量——即使恒星繼續(xù)從表面失去能量，這種壓力也會繼續(xù)支撐恒星。因此我們的太陽永遠不會變成黑洞。

然而，如果這顆恒星的質(zhì)量大于太陽質(zhì)量的3到5倍，它的引力就會更大，它內(nèi)部的簡并電子壓力將永遠不足以阻止它的坍塌。原來,中子也可以遵守不相容原理并且中子會產(chǎn)生豐富的大質(zhì)量恒星坍塌時,但甚至是中子簡并也不能阻止大質(zhì)量恒星的崩塌——超過3到5倍太陽質(zhì)量的恒星就不會停止崩塌。根據(jù)當前的思維，它將會成為一個黑洞。

黑洞也有壽命嗎？

你可能知道，任何落入黑洞的物體都出不來。然而，在很長一段時間內(nèi)，物質(zhì)粒子會“泄漏”出黑洞。所以，即使宇宙中的所有物體最終都進入黑洞，在很長很長一段時間后，這些黑洞會逐漸失去它們的物質(zhì)，而這些物質(zhì)會以一種稀薄的粒子氣體的形式擴散到宇宙各處。

黑洞失去物質(zhì)的過程被稱為霍金輻射，以斯蒂芬·霍金的名字命名，霍金是第一個發(fā)現(xiàn)黑洞霍金輻射的人。這種情況是很復雜的?？创@個復雜的過程的一種方法是使用“虛擬粒子”的概念。任何時候，粒子-反粒子對都在任何位置出現(xiàn)或消失，即使是在黑洞的視界(“逃脫的臨界點”)附近。這些成對存在的時間很短，短到我們無法準確地測量它們的質(zhì)量，甚至無法知道它們的存在(然而，我們確實通過它們造成的其他影響知道它們的存在)。但是，對于黑洞附近的一對粒子來說，其中一個粒子可能會落入黑洞，而另一個粒子則沒有伙伴；留下的粒子不能很快被湮滅(這是正常情況下發(fā)生的)。

因此，留在身后的孤獨粒子發(fā)現(xiàn)自己不再是“虛擬的”，而是“真實的”，就像你身體里的任何粒子一樣。自從這個粒子是真實的，它包含了一定的質(zhì)量，而這個質(zhì)量是由黑洞的能量提供的(通過黑洞的重力):現(xiàn)在真實的粒子存在是因為它從黑洞中獲得了質(zhì)量。因此，質(zhì)量以新粒子的形式逐漸離開黑洞，出現(xiàn)在黑洞外面。黑洞失去質(zhì)量的過程非常緩慢(至少對于由恒星構成的大質(zhì)量黑洞來說)，因此一個典型的黑洞最終消失所需要的時間非常長。(對于質(zhì)量等于太陽質(zhì)量的黑洞，整個過程大約需要10^⁶⁶年，或者說1后面有66個零。)

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翻譯：天文志愿文章組-

審核：天文志愿文章組- PN結

排版：零度星系