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太陽會變成一個黑洞嗎

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太陽最后會變成一個黑洞嗎？答案是：不會。因為太陽的質(zhì)量比較小，不會演化為黑洞。太陽將在幾十億年后，經(jīng)過“體積巨大、光芒四射”的紅巨星階段，最后形成一個致密的白矮星。白矮星密度極高，一個質(zhì)量和太陽差不多的白矮星，大小卻只有地球那么大，即太陽直徑的百分之一。

太陽；黑洞；白矮星

黑洞按其質(zhì)量大小可分為三類：超重黑洞、恒星黑洞、微型黑洞。

超重黑洞的質(zhì)量巨大，可以是太陽質(zhì)量的幾百萬到幾百億倍。天文觀測資料證明，許多星系的中心，都是一個巨大的超重黑洞。比如說，我們所在的銀河系的中心，被稱為人馬座A*的位置，就可能是一個質(zhì)量大約等于400萬個太陽質(zhì)量的超重黑洞。微型黑洞則恰恰相反，質(zhì)量很小，小到可以和微觀世界的基本粒子相比較，必須用量子理論來研究它的規(guī)律，因而也被稱為量子黑洞或迷你黑洞。恒星黑洞則顧名思義，其質(zhì)量大小與恒星的質(zhì)量大小相當(dāng)。

超重黑洞和恒星黑洞在宇宙中存在，已經(jīng)被天文觀測所證實。量子黑洞誰也沒見過，還只能算是一種理論假設(shè)?？茖W(xué)家們認(rèn)為它們有可能產(chǎn)生于宇宙大爆炸的初期，或者是大型強子對撞機的粒子反應(yīng)中，但至今尚未被觀測到，還需等待實驗的證實。

恒星黑洞不僅僅質(zhì)量與恒星相當(dāng)，實際上就是恒星經(jīng)過“引力塌縮”演化的最終結(jié)局。太陽也是恒星，那么，太陽最后會變成一個黑洞嗎？答案是：不會。為什么呢？我們得從恒星的演化過程慢慢談起。

恒星的生命周期

星星也和人一樣，有“生老病死”。不過，星星的壽命要比人類個體的壽命長得多，經(jīng)常都需要以“億年”為單位來計算！人生易老天難老啊。天體物理學(xué)家們最感興趣的是恒星的演化。因為從天文觀測的角度看，只有恒星才會主動發(fā)光，而行星只是被動地反射或折射恒星發(fā)出的光線而已。恒星的質(zhì)量較大，強大的萬有引力使它們“心中燃著一把火”，也使得它們的生命過程轟轟烈烈、多姿多彩、急遽變化。根據(jù)恒星質(zhì)量大小的不同，它們的演化周期(壽命)也大不相同。

一般而言，恒星的生命周期和演變過程取決于它的質(zhì)量。大多數(shù)恒星的壽命在10億～100億歲之間。初略一想，你可能會認(rèn)為質(zhì)量越大的恒星就可以燃燒更久，便意味著壽命更長。事實卻是相反：質(zhì)量越大壽命反而越短，質(zhì)量小的(矮子)命反而更長。比如說，一個質(zhì)量等于太陽60倍的恒星，壽命只有300萬年，而質(zhì)量是太陽一半的恒星，預(yù)期的壽命可達(dá)幾百億年，比現(xiàn)在宇宙的壽命還長。

在恒星的演化過程中，“引力”起著重要的作用。引力總是表現(xiàn)為吸引力，但是，在任何一個系統(tǒng)中，如果沒有別的足夠大的斥力來平衡這種吸引力的話，所有的物質(zhì)便會因為吸引而越來越靠近，靠得越近吸引力又越大，促使它們更靠近，并且，這種過程進(jìn)行得快速而猛烈，被稱為“引力塌縮”。我們通常所見的物體并不發(fā)生引力塌縮，具有穩(wěn)定的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，那是因為原子中的電磁力在起著平衡的作用。

想象宇宙中由氣體塵埃構(gòu)成的分子星云，在一定的條件下就會產(chǎn)生引力坍縮，物質(zhì)越來越緊密地聚集在一起，隨之凝聚成一團被稱為原恒星的高熱旋轉(zhuǎn)氣體。這一過程也經(jīng)常被稱作引力凝聚。星云凝聚成了原恒星之后，再演化到恒星的發(fā)展過程，取決于原恒星的初始質(zhì)量。因為太陽是科學(xué)家們最熟悉的恒星，所以在討論恒星的質(zhì)量時，一般習(xí)慣將太陽的質(zhì)量(M⊙)看成是1，也就是說，用太陽的質(zhì)量(M⊙=1.989×1030kg)作為質(zhì)量單位，來量度天體的質(zhì)量。

質(zhì)量太小，即小于0.08倍太陽質(zhì)量的原恒星，核心溫度累計不到足夠高來啟動氫核聚變，最終就成不了恒星。如果它們的核心處還能進(jìn)行氘核聚變的話，便可形成棕矮星(或稱褐矮星，看起來的顏色在紅棕之間)。如果連棕矮星的資格也夠不上，便只有被淘汰的命運，無法自立門戶，最終只能繞著別的恒星轉(zhuǎn)，變成一顆行星。

如果原恒星的質(zhì)量大于1/10太陽質(zhì)量，星體自身引力引起的塌縮將使得核心的溫度最終超過1 000萬度，由此而能夠啟動質(zhì)子鏈的聚變反應(yīng)：氫融合成氘，然后再合成氦。這個過程中，大量能量被產(chǎn)生出來，從核心向外輻射。輻射壓力是一種向外的排斥力，逐漸增大并能與星體中物質(zhì)間的引力達(dá)成平衡，使得恒星不再繼續(xù)塌縮，進(jìn)入穩(wěn)定的“主序星”狀態(tài)，如圖1所示。我們的太陽現(xiàn)在便是處于這個階段。

原恒星即使“修成正果”，變成了主序星階段的恒星，也會因其不同的質(zhì)量而經(jīng)歷不同的演化路徑，如圖1所示。就我們的太陽而言，其生命周期中的“大事記”可參考圖1下方的時間表。

太陽的歸宿

圖1中可見，太陽是在大約45.7億年前誕生的，太陽的主序星階段很長，有100億年左右，到目前為止，太陽的生命剛走了一半，“正值中年”。

圖1 不同質(zhì)量恒星的演化路徑及太陽的生命周期

恒星的主序星階段，就是它們內(nèi)部的熱核反應(yīng)而穩(wěn)定發(fā)光的階段。太陽核心球的半徑大約只有整個半徑的1/5到1/4。太陽內(nèi)部的熱核反應(yīng)，產(chǎn)生攜帶著大量能量的伽馬射線，也就是一種頻率比可見光更高的光子，同時也產(chǎn)生另外一種叫做中微子的基本粒子[1]。光子和中微子在太陽內(nèi)部的核反應(yīng)中被同時產(chǎn)生出來，但它們的旅途經(jīng)歷完全不一樣。光子是個“外交家”，與諸多基本粒子都能“交往”，它們一出太陽核心，旅行不到幾個微米便會被核心外的其他粒子吸收，或者是被轉(zhuǎn)化成能量更低的光子向四面八方散射。因此，光子的軌跡曲曲彎彎、反反復(fù)復(fù)、曲折迂回，平均來說，太陽核心的一個輻射光子，要經(jīng)過上萬年到十幾萬年的時間，才能到達(dá)太陽的表面，繼而再飛向宇宙空間，照耀太陽系大家庭，促成地球上的“萬物生長”。當(dāng)光子來到太陽表面時，已經(jīng)不再是能量雖高卻看不見的伽馬射線，而是變成了我們看得見的“可見光”，太陽表面的溫度也已大大降低到大約只有6 000 K。中微子的行程則大不相同，是直接往外沖，它們不怎么和其他的物質(zhì)相互作用，因而，它在被核聚變產(chǎn)生出來之后，兩秒鐘左右便旅行到了太陽表面，從太陽表面逃逸到太空中去了。所以，非常有趣，假設(shè)我們在地球上同時接收到從太陽輻射來的光子和中微子時，它們的年齡可是相差太大了：中微子是個太陽核心幾分鐘之前的“新生兒”，產(chǎn)生后直達(dá)地球，同時來到地球的光子卻已經(jīng)是多少萬年之前的“老頭”產(chǎn)物了。

主序星的階段雖然長，但恒星內(nèi)部的氫，即熱核反應(yīng)的燃料是有限的，終有被消耗殆盡的那一天。對太陽而言，從現(xiàn)在開始，溫度將會慢慢升高，當(dāng)它100億歲左右時，核心中的氫被燒完了，但是內(nèi)部的溫度仍然很高，核心中的氦又累積到了一定的比例，在核心處便會進(jìn)行激烈的氦燃燒，導(dǎo)致失控的核反應(yīng)(氦融合)，像氫彈爆炸一樣，轟隆一聲巨響，短時間內(nèi)釋放出大量能量。那時的太陽會經(jīng)歷一個突然膨脹的階段。將變成一個大紅胖子(紅巨星)！這段紅胖子時間雖然也有好幾億年，在天文學(xué)家們的眼中卻不算一回事，將這一過程叫做“氦閃”，這一閃就是一百萬年！結(jié)果閃出了一個大紅胖子，胖子內(nèi)部的氦還在繼續(xù)燃燒，核心溫度達(dá)到1億度。待很大比例的核心物質(zhì)轉(zhuǎn)換成碳之后，內(nèi)部溫度開始逐漸下降，隨著外層的星云物質(zhì)逐漸被削去，引力使得星體向核心塌縮，體積逐漸縮小。最后，一個白矮子從紅胖子中脫穎而出，這便是太陽老時的模樣：白矮星！太陽目前的體積等于100萬個地球，但它成為白矮星后，體積將縮小到地球一般大小。因此，白矮星的密度極高，從其中挖一塊小方糖大小(1 cm3)的物質(zhì)，重量可達(dá)到一噸！

白矮星的光譜屬于“白”型，白而不亮，因為這時候聚變反應(yīng)已經(jīng)停止，只是靠過去積累的能量發(fā)出一點余熱而已。老恒星也明白“細(xì)水長流”之道理，它們發(fā)出的光線黯淡不起眼，將剩余的能量慢慢流淌，直到無光可發(fā)，變成一顆看不見的，如同一大塊金剛石(鉆石)形態(tài)的“黑矮星”為止！目前在宇宙中觀察到的白矮星數(shù)目已經(jīng)可以說是多到“不計其數(shù)”，據(jù)估計銀河系就約有100億顆。但是，黑矮星卻從未被觀測到，科學(xué)家們認(rèn)為其原因是因為從白矮星變到黑矮星需要幾百億年，已經(jīng)超過了現(xiàn)在估計的宇宙年齡。

因此，太陽最后的結(jié)局是白矮星，或者再演化到黑矮星。從圖1可見，主序星階段之后，恒星的演化過程因為質(zhì)量的不同而產(chǎn)生了分岔。質(zhì)量大于8倍太陽質(zhì)量的恒星，紅巨星(或紅超巨星)之后，還將會經(jīng)歷一個超新星爆發(fā)的階段，最后變成中子星或黑洞；而質(zhì)量小于8倍太陽質(zhì)量的恒星，其歸宿便和太陽一樣，成不了黑洞，最后成為白矮星。

錢德拉塞卡極限

綜上所述，太陽成不了黑洞，是因為質(zhì)量不夠大，需要質(zhì)量超過某個極限值的恒星，才有可能成為黑洞。這個極限值——“8倍太陽質(zhì)量”——與“錢德拉塞卡極限”有關(guān)。

在恒星演化中起著重要作用的是所謂“引力塌縮”。一個星體能夠在一段時期內(nèi)穩(wěn)定地存在，一定是有某種“力”來抗衡引力。像太陽這種發(fā)光階段的恒星，是因為核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的向外的輻射壓強抗衡了引力。但到了白矮星階段，核聚變反應(yīng)停止了，輻射大大減弱，那又是什么力量來平衡引力呢？

20世紀(jì)初發(fā)展的量子力學(xué)對此給出了一個合理的解釋。根據(jù)量子力學(xué)，基本粒子可以被分為玻色子和費米子兩大類，電子是費米子，光子是玻色子。電子遵循泡利不相容原理而玻色子不遵守[2]。這個原理的意思是說，不可能有兩個費米子處于完全相同的微觀量子態(tài)。打個比方說，許多光子可以以同樣的狀態(tài)同住在“一個房間”，但電子堅持它們只能“獨居”的個性，見圖2(a)。當(dāng)大量電子在一起的時候，這種獨居個性類似于它們在統(tǒng)計意義上互相排斥，因而，便產(chǎn)生一種能抗衡引力的“費米子簡并壓”，見圖2(b)。

可用一個通俗的比喻來簡單說明“電子簡并壓”的來源：一群要求獨居的人入住到一家不太大的旅店中，每個人都需要一個單獨的房間，如果旅館的房間數(shù)少于入住的人數(shù)，一定會給旅店管理人造成巨大的“壓力”吧。

白矮星的主要成分是碳。白矮星的中心溫度高達(dá)107K，如此高溫下，原子只能以電離形態(tài)存在。也就是說，白矮星可以看成是緊緊聚集在一起的碳離子以及游離在外的電子構(gòu)成，就像是一堆密集的原子核，浸泡在電子“氣”中。原子核提供了白矮星的大質(zhì)量和高密度，游離電子氣則因為遵循泡利不相容原理而產(chǎn)生了抗衡引力塌縮的“費米子簡并壓”，如圖2(b)所示。

圖2 矮星中的電子簡并壓來源

錢德拉塞卡(Chandrasekhar，1910－1995年)是一位印度裔物理學(xué)家和天體物理學(xué)家。他出生于印度，大學(xué)時代就迷上了天文學(xué)和白矮星。1930年，錢德拉塞卡大學(xué)畢業(yè)，從印度前往英國準(zhǔn)備跟隨當(dāng)時極富盛名的亞瑟·愛丁頓(Sir Arthur Eddington，1882－1944年)做研究。他在旅途中根據(jù)量子統(tǒng)計規(guī)律計算與白矮星質(zhì)量有關(guān)的問題，得到一個非常重要的結(jié)論：白矮星的穩(wěn)定性有一個質(zhì)量極限，大約是1.4倍太陽質(zhì)量。當(dāng)恒星的質(zhì)量大于這個極限值時，電子簡并壓力便不能阻擋引力塌縮。那時會發(fā)生什么呢？錢德拉塞卡暫時不知道結(jié)論，但恒星應(yīng)該會繼續(xù)塌縮下去。這個概念與理論相沖突，因為當(dāng)時大家認(rèn)為，白矮星是穩(wěn)定的，是所有恒星的歸屬。

到了英國之后，錢德拉塞卡重新審核并仔細(xì)計算了這個問題后將結(jié)果報告給艾丁頓，卻沒有得到后者的支持。據(jù)說艾丁頓咨詢過愛因斯坦，當(dāng)年的愛因斯坦不相信有什么“引力塌縮”。因此，艾丁頓在聽了錢德拉塞卡的講座后當(dāng)場上臺撕毀了講稿，并說他是基礎(chǔ)錯誤，一派胡言。恒星怎么可能一直塌縮呢？一定會有某種自然規(guī)律阻止恒星這種荒謬的行動！錢德拉塞卡由此受到極大的打擊，從此走上了一條孤獨的科研之路。他的論文最終在美國的一份雜志發(fā)表。多年之后，他的觀點被學(xué)術(shù)界承認(rèn)，這個白矮星的質(zhì)量上限后來以他命名，被稱為錢德拉塞卡極限。當(dāng)他73歲的時候，終于因他在20歲時旅途上的計算結(jié)果而獲得了1983年的諾貝爾物理學(xué)獎。

其實，錢德拉塞卡的計算并不難理解，圖3可以直觀地說明。

圖3中畫出了電子簡并能及引力勢能隨著恒星半徑r而變化的曲線。圖3(a)、3(b)、3(c)分別表示恒星的質(zhì)量小于、等于、大于1.44太陽質(zhì)量時的三種情況。電子簡并能曲線不受恒星質(zhì)量的影響，在三種情形是相同的；引力勢能則不同，與恒星質(zhì)量大小密切相關(guān)。引力勢能為負(fù)值表明是互相吸引，電子簡并能的正值表示電子之間統(tǒng)計意義上的“排斥”。三個圖中均以紅色曲線描述總能量，是由電子簡并能和引力勢能相加而得到的。從圖3(a)中可見，恒星的質(zhì)量小于錢德拉塞卡極限時，總能量在R處有一個最小值，能量越小的狀態(tài)越穩(wěn)定，說明這時候恒星是一個半徑為R的穩(wěn)定的白矮星。當(dāng)恒星的質(zhì)量等于或大于錢德拉塞卡極限時，半徑比較小的時候總能量曲線一直往下斜(從右向左看)，沒有極小值，因為系統(tǒng)總是要取總能量最小的狀態(tài)，就將使得恒星的半徑越變越小而最后趨近于零，也就是說，產(chǎn)生了引力塌縮。這三種情形可以類比于圖右下方所畫的小球在地面重力勢能曲線上滾動的情況。只有在第一種情況下，小球才能平衡并達(dá)到靜止。

以上分析所確定的錢德拉塞卡極限等于1.44倍太陽質(zhì)量，但在圖1中我們所說的分界線是8個太陽質(zhì)量，這是怎么一回事呢？后者是主序星階段的質(zhì)量界限，而錢德拉塞卡極限指的是白矮星的穩(wěn)定質(zhì)量值。從主序星到白矮星，經(jīng)過了紅超巨星及超新星爆發(fā)等過程。在這種急劇爆發(fā)的階段，突然放出大量的輻射能量，同時也將一切能拋出的物質(zhì)全部甩掉，只剩下了星體的核心部分。這就是“8個太陽質(zhì)量”變成了“1.44個太陽質(zhì)量”的原因。

圖3 使白矮星穩(wěn)定的錢德拉塞卡極限

中子星和黑洞

難怪艾丁頓對錢德拉塞卡的“繼續(xù)塌縮”會惴惴不安，他無法理解密度已經(jīng)如此之大的白矮星塌縮的結(jié)果會是什么？塌縮到哪里去呢？星體半徑怎么可能趨于0？物理上太不可思議了！當(dāng)時中子還剛剛被發(fā)現(xiàn)，艾丁頓不見得知道。據(jù)說發(fā)現(xiàn)中子的消息傳到哥本哈根，量子力學(xué)創(chuàng)始人波爾(1885－1962年)召集大家討論，蘇聯(lián)著名物理學(xué)家朗道(1908－1968年)正好在那里訪問，聽到這個消息后立即發(fā)言，預(yù)言了中子星存在的可能性。朗道認(rèn)為如果恒星質(zhì)量超過錢德拉塞卡極限，也不會一直塌縮下去，因為電子會被壓進(jìn)氦原子核中，質(zhì)子和電子將會因引力的作用結(jié)合在一起成為中子。中子和電子一樣，也是遵循泡利不相容原理的費米子。因此，這些中子在一起產(chǎn)生的“中子簡并壓”力，可以抗衡引力使得恒星成為密度比白矮星大得多的穩(wěn)定的中子星。

中子星的密度大到我們難以想象：每立方厘米一億噸到十億噸！

恒星塌縮的故事還沒完！后來在二戰(zhàn)中成為與原子彈有關(guān)的“曼哈頓計劃”領(lǐng)導(dǎo)人的奧本海默，當(dāng)時也是一個雄心勃勃的年輕科學(xué)家。他想：白矮星質(zhì)量有一個錢德拉塞卡極限，中子星的質(zhì)量也應(yīng)該有極限啊。一計算，果然算出了一個奧本海默極限。不過當(dāng)時奧本海默計算結(jié)果不太正確，之后，奧本海默極限被人們矯正為2～3倍太陽質(zhì)量。

超過這個極限的恒星應(yīng)該繼續(xù)塌縮，結(jié)果是什么呢？基本粒子理論中已經(jīng)沒有更多的東西來解釋它，也許還可以說它是顆“夸克星”？但大多數(shù)人認(rèn)為它就應(yīng)該是廣義相對論所預(yù)言的黑洞了。那么，史瓦西在1916年從理論上算出來的黑洞，看起來就是(核心)質(zhì)量大于3倍太陽質(zhì)量的恒星的最后歸宿，它很有可能在宇宙空間中存在！這個結(jié)論令人振奮。

中子星雖然密度極大，大到難以想象的程度，但它畢竟仍然是一個由我們了解甚多的 “中子”組成的。中子是科學(xué)家們在實驗室里能夠檢測得到的東西，是一種大家熟知的基本粒子，在普通物質(zhì)的原子核中就存在。黑洞是什么呢？就實在是難以捉摸了。也可以說，恒星最后塌縮成了黑洞，才談得上是一個真正奇妙的“引力塌縮”。

恒星的生命周期長達(dá)數(shù)十甚至上百億年，比我們個人的壽命不知道大了多少倍。恒星的進(jìn)化過程緩慢，我們看到的太陽天天如此，年年如此，世世代代也都似乎如此。如果僅僅從太陽這一個恒星的觀測數(shù)據(jù)，如何驗證我們對太陽生命周期(大約140億年)的描述呢？任何人的一生中，都無法觀察到太陽過去的誕生過程，也無法看到它變成紅巨星以致白矮星時候的模樣，我們所能看到的，只不過是太陽生命過程中一段極其微小的窗口。

然而，宇宙中除了太陽之外，還有許多各種各樣的恒星，有的與太陽十分相似，有的則迥然不同。它們分別處于生命的不同時期，有剛剛誕生的“嬰兒”，有和太陽類似的青年、中年或壯年恒星，也有短暫但發(fā)出強光的紅巨星和超新星，還有走到了生命盡頭的“老耄之年”：白矮星、中子星、黑洞。觀測研究這些形形色色的處于不同生命階段的恒星，便能給予我們豐富的實驗資料，不但能歸納得到太陽的演化過程，還可用以研究其他星體的演化、星系的演化，以致于宇宙的演化。

比如，地球夜空中最亮的天狼星，人類遠(yuǎn)在公元前對它就有所記載。中國人給它起名“天狼”，西方文化中，它被稱為“犬星”。稱呼相似，但人們對其寄托的想象和征兆迥然不同。我們的祖先認(rèn)為這顆星帶著一股“殺氣”，象征侵略。“青云衣兮白霓裳，舉長矢兮射天狼?！笔乔毒鸥琛分械木渥?；蘇軾的詩中也用“會挽雕弓如滿月，西北望，射天狼” 來表白自己欲報國立功的信念[3]。

天狼星最亮眼，早就被人類觀測到，但直到1892年，人們才知道它并非“單身”，而是有一個時時不離的“伴侶”，因為觀測者研究天狼星的運動時，發(fā)現(xiàn)它總是在轉(zhuǎn)小圈圈。為什么轉(zhuǎn)圈？繞著誰轉(zhuǎn)？后來人們才認(rèn)識到天狼星原來是一對雙星(天狼星A和B)。伴星B的質(zhì)量約為一個太陽質(zhì)量，大小卻只與地球相當(dāng)。它的表面溫度也不低(25 000 K)，但發(fā)出的光度只有天狼星A的萬分之一，因而，它在亮麗的“女伴”旁邊，不容易被人發(fā)現(xiàn)。最后確定這顆距離我們大約8.5光年的伴星是離地球最近的一顆白矮星，這顆天狼星B，就是我們的太陽老耄之年的樣子。

(2016年9月12日收稿)

[1] GRUPEN C. Astroparticle physics [M]. Springer, 2006: 123-148.

[2] 張?zhí)烊? 電子, 電子!誰來拯救摩爾定律[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2014, 41-60.

[3] 江曉原. 中國古籍中天狼星顏色之記載[J]. 天文學(xué)報, 1992, 33 (4): 408-412.

(編輯：溫文)

Will our sun become a black hole

ZHANG Tianrong

Will our sun become a black hole? No. Stars like the Sun just are not massive enough to become black hole. Instead, in several billion years, the Sun will cast off its outer layer, and its core will form a white dwarf, a dense ball of carbon and oxygen that no longer produces nuclear energy, which still shines because it is very hot. A typical white dwarf is about as massive as the Sun, but only as big as the Earth, which is one percent of the Sun’s present diameter.

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10.3969/j.issn.0253-9608.2016.06.009

?通信作者，理論物理學(xué)博士，科普作家，E-mail: tianrong1945@gmail.com