为什么中子星不会坍缩为黑洞？

黑洞是宇宙中的极端天体，理论上，只要把足够的质量挤入一个足够小的体积中，成果就会发生一个黑洞。从它概况逃逸所需的速度将达到光速，因为光速是最快的速度，所以任何工具都无法从黑洞中逃出来。

固然理论上制造黑洞很轻易，但现实的正常物质很难做到这一点。氢是宇宙中最常见的元素，它会在高暖和高密度的连锁反映中融合形当作一颗恒星，而不是黑洞。像白矮星和中子星如许的恒星核，也能抵当住引力坍缩，避免当作为黑洞。白矮星的质量只能达到太阳的1.4倍，而中子星的质量可以达到太阳的二至三倍。那么，为什么会有如许的不同呢？

在我们的宇宙中，我们所知道的基于物质的物体都是由一些简单的当作分构成的，即质子、中子和电子。每一个质子和中子都由三个夸克构成，一个质子包含两个上夸克和一个下夸克，一个中子包含一个上夸克和两个下夸克。另一方面，电子自己就是根基粒子。粒子有两类，即费米子和玻色子，夸克和电子都是费米子。

事实证实，当涉及到黑洞形当作的问题时，这些分类特征是至关主要的。费米子有一些特征玻色子没有，包罗：（1）费米子有半整数自旋（如±1/2，±3/2，±5/2等），玻色子是整数自旋（0，±1，±2等）；（2）费米子有对应的反粒子，玻色子没有；（3）费米子知足泡利不相容道理；（4）最后一个特征是防止物质坍缩当作黑洞的关头。

泡利不相容道理只合用于费米子，而非玻色子，这个道理表白在任何量子系统中，没有两个费米子可以占有不异的量子态。也就是说，若是把一个电子放在一个特心猿意马的位置，它会在阿谁状况下有一组性质：能级、角动量等等。

然而若是把第二个电子放到系统中不异的位置，它就被禁止拥有不异的量子数。它必需要么占有一个分歧的能级，有一个分歧的自旋（若是第一个是-1/2，它就是+1/2），要么在空间中占有一个分歧的位置。

这就是为什么原子有分歧的性质，为什么原子在复杂的组合中如斯连系在一路，以及为什么元素周期表中的每一个元素都是并世无双的，因为每种原子的电子排布分歧于其他原子。

质子和中子相似。尽管它们是由三个夸克构成的复合粒子，但它们表示得就像单个的费米子一样。它们也遵循泡利不相容道理，没有两个质子或中子可以占有不异的量子态。电子是费米子，这是防止白矮星在自身引力下坍缩的原因；同样中子是费米子，这也阻止了中子星进一步坍缩。泡利不相容道理是防止所有最致密的天体当作为黑洞的原因。

当不雅察宇宙中的白矮星时，它们的质量上限年夜约在1.4倍太阳质量，即钱德拉塞卡质量极限。因为没有两个电子能占有不异的量子态，是以量子简并压力是阻止黑洞形当作的原因，直到跨越极限值。

在中子星中，有一个近似的质量极限：托尔曼-奥本海默-沃尔科夫极限。最初估计这将与钱德拉塞卡质量极限不异，因为根本物理是不异的。当然，并不是特心猿意马的电子供给了量子简并压力，可是道理（和方程式）几乎是一样的。按照不雅测可知，中子星的质量比1.4倍太阳质量要年夜得多，可能会上升到太阳质量的2.3或2.5倍。

不外这种差别是有原因的。在中子星中，壮大的核力起了感化，对比费米子寒气体的简单模子，它造当作了更年夜的有用排斥力。在曩昔的20多年里，中子星理论质量极限的计较成果有很年夜转变：从年夜约1.5倍到3.3倍太阳质量。数值不确定的原因是对极其致密物质行为的未知，就像原子核中的密度一样，都是不领会的。

或者更切当地说，这些未知事务困扰了我们很长一段时候，直到上个月的一篇新论文改变了这一切。论文作者V. D. Burkert，L. Elouadrhiri和F. X. Girod刚取得了关头的进展，用于领会中子星内部发生的工作。

在曩昔的几十年里，质子和中子的核子模子已经有了很年夜提高，同时也改善了计较和尝试手艺。最新的研究利用了一种被称为康普顿散射的老手艺，把电子发射到质子的内部布局中去探测它的布局。当一个电子与一个夸克彼此感化时，它会释放一个高能光子，以及一个散射的电子，并导致核反冲。经由过程测量这三种产品，可以计较出原子核内夸克经受的压力分布。发现成果令人震动，质子中间四周的平均峰值压强达到10^35帕斯卡，比中子星内部压强还年夜。

换句话说，领会了单个核子内部的压力分布，我们可以计较出什么时辰，在什么前提下可以降服这种压力。固然这个尝试只针对证子，但中子的成果应该近似，也就是说在将来，我们应该可以或许计较出更切确的中子星质量极限。