為什么中子星不會坍縮為黑洞？

黑洞是宇宙中的極端天體，理論上，只要把足夠的質量擠入一個足夠小的體積中，成果就會發生一個黑洞。從它概況逃逸所需的速度將達到光速，因為光速是最快的速度，所以任何工具都無法從黑洞中逃出來。

固然理論上制造黑洞很輕易，但現實的正常物質很難做到這一點。氫是宇宙中最常見的元素，它會在高暖和高密度的連鎖反映中融合形當作一顆恒星，而不是黑洞。像白矮星和中子星如許的恒星核，也能抵當住引力坍縮，避免當作為黑洞。白矮星的質量只能達到太陽的1.4倍，而中子星的質量可以達到太陽的二至三倍。那么，為什么會有如許的不同呢？

在我們的宇宙中，我們所知道的基于物質的物體都是由一些簡單的當作分構成的，即質子、中子和電子。每一個質子和中子都由三個夸克構成，一個質子包含兩個上夸克和一個下夸克，一個中子包含一個上夸克和兩個下夸克。另一方面，電子自己就是根基粒子。粒子有兩類，即費米子和玻色子，夸克和電子都是費米子。

事實證實，當涉及到黑洞形當作的問題時，這些分類特征是至關主要的。費米子有一些特征玻色子沒有，包羅：（1）費米子有半整數自旋（如±1/2，±3/2，±5/2等），玻色子是整數自旋（0，±1，±2等）；（2）費米子有對應的反粒子，玻色子沒有；（3）費米子知足泡利不相容道理；（4）最后一個特征是防止物質坍縮當作黑洞的關頭。

泡利不相容道理只合用于費米子，而非玻色子，這個道理表白在任何量子系統中，沒有兩個費米子可以占有不異的量子態。也就是說，若是把一個電子放在一個特心猿意馬的位置，它會在阿誰狀況下有一組性質：能級、角動量等等。

然而若是把第二個電子放到系統中不異的位置，它就被禁止擁有不異的量子數。它必需要么占有一個分歧的能級，有一個分歧的自旋（若是第一個是-1/2，它就是+1/2），要么在空間中占有一個分歧的位置。

這就是為什么原子有分歧的性質，為什么原子在復雜的組合中如斯連系在一路，以及為什么元素周期表中的每一個元素都是并世無雙的，因為每種原子的電子排布分歧于其他原子。

質子和中子相似。盡管它們是由三個夸克構成的復合粒子，但它們表示得就像單個的費米子一樣。它們也遵循泡利不相容道理，沒有兩個質子或中子可以占有不異的量子態。電子是費米子，這是防止白矮星在自身引力下坍縮的原因；同樣中子是費米子，這也阻止了中子星進一步坍縮。泡利不相容道理是防止所有最致密的天體當作為黑洞的原因。

當不雅察宇宙中的白矮星時，它們的質量上限年夜約在1.4倍太陽質量，即錢德拉塞卡質量極限。因為沒有兩個電子能占有不異的量子態，是以量子簡并壓力是阻止黑洞形當作的原因，直到跨越極限值。

在中子星中，有一個近似的質量極限：托爾曼-奧本海默-沃爾科夫極限。最初估計這將與錢德拉塞卡質量極限不異，因為根本物理是不異的。當然，并不是特心猿意馬的電子供給了量子簡并壓力，可是道理（和方程式）幾乎是一樣的。按照不雅測可知，中子星的質量比1.4倍太陽質量要年夜得多，可能會上升到太陽質量的2.3或2.5倍。

不外這種差別是有原因的。在中子星中，壯大的核力起了感化，對比費米子寒氣體的簡單模子，它造當作了更年夜的有用排斥力。在曩昔的20多年里，中子星理論質量極限的計較成果有很年夜轉變：從年夜約1.5倍到3.3倍太陽質量。數值不確定的原因是對極其致密物質行為的未知，就像原子核中的密度一樣，都是不領會的。

或者更切當地說，這些未知事務困擾了我們很長一段時候，直到上個月的一篇新論文改變了這一切。論文作者V. D. Burkert，L. Elouadrhiri和F. X. Girod剛取得了關頭的進展，用于領會中子星內部發生的工作。

在曩昔的幾十年里，質子和中子的核子模子已經有了很年夜提高，同時也改善了計較和嘗試手藝。最新的研究利用了一種被稱為康普頓散射的老手藝，把電子發射到質子的內部布局中去探測它的布局。當一個電子與一個夸克彼此感化時，它會釋放一個高能光子，以及一個散射的電子，并導致核反沖。經由過程測量這三種產品，可以計較出原子核內夸克經受的壓力分布。發現成果令人震動，質子中間四周的平均峰值壓強達到10^35帕斯卡，比中子星內部壓強還年夜。

換句話說，領會了單個核子內部的壓力分布，我們可以計較出什么時辰，在什么前提下可以降服這種壓力。固然這個嘗試只針對證子，但中子的成果應該近似，也就是說在將來，我們應該可以或許計較出更切確的中子星質量極限。