前面，我們已經(jīng)談到過在掌握星系文明科技的前提下，怎樣去建造恒星?，F(xiàn)在讓我們更進(jìn)一步，來探討一下如何建造一個(gè)黑洞。
大家可能還記得，建造一顆假想中的恒星基本上就是聚集足夠多的物質(zhì)，使其在自重下坍縮。有足夠的質(zhì)量（約80-90倍的木星質(zhì)量），星體內(nèi)部壓力就會(huì)變得大到足以啟動(dòng)把氫融合成氦的核聚變，從而點(diǎn)亮恒星。由于原子的核聚變會(huì)向外產(chǎn)生很大的輻射壓，使得建造一個(gè)黑洞比建造一顆恒星要更困難。
建造黑洞的一種簡單方法是通過建造一顆質(zhì)量龐大的恒星，然后等待其死亡。當(dāng)恒星進(jìn)行核聚變時(shí)，氫被聚變成氦。隨著時(shí)間的推移，恒星的密度逐漸增加，而恒星會(huì)變得更熱。最終，壓力變得足夠高，使得氦聚變成諸如碳、氮和氧等元素。這些元素最終還會(huì)聚變成更重的元素。
超新星爆發(fā)
但聚變到鐵元素時(shí)，其吸收的熱量要比釋放出的多，恒星就無法產(chǎn)生足夠的熱量和能量來保持自身的穩(wěn)定。對于大質(zhì)量恒星而言，它們會(huì)爆發(fā)形成超新星。這樣的爆炸撕裂了恒星，但同時(shí)也可能會(huì)壓縮恒星的核心，使它坍縮成一個(gè)黑洞。
雖然這很容易，但不保證會(huì)形成一個(gè)黑洞。恒星可能會(huì)被完全撕碎，或者核心可能不會(huì)坍縮成一個(gè)黑洞。為了確保能制造出一個(gè)黑洞，必須要采取一條更加漸進(jìn)的路線。我們可以從一顆類似于我們太陽的恒星開始，而非一顆質(zhì)量龐大的恒星。
就像大型恒星已有，類太陽的恒星在其大部分的生命歷程中會(huì)將氫聚變成氦。隨著恒星的老去，它將逐漸變得更加密集和熾熱，隨著時(shí)間的推移將開始把氦聚變成碳、氮和氧。在大約100億年后，它將耗盡用于聚變的氫和氦。由于沒有足夠的輻射壓，恒星會(huì)在自身重量下開始坍縮。
在短時(shí)間內(nèi)，它會(huì)聚變重元素，這會(huì)導(dǎo)致它膨脹成一顆紅巨星。然而，類太陽的恒星根本沒有足夠的質(zhì)量來爆發(fā)形成超新星，所以它最終能做的就是坍縮。但它不足以坍縮成一個(gè)黑洞。
此時(shí)恒星物質(zhì)變成一種等離子體，原子已被分裂成電子和原子核的混合物。電子比原子核更容易運(yùn)動(dòng)，因此當(dāng)這種恒星坍縮時(shí)，其電子壓力（簡并壓力）與自身重力相平衡。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，恒星就演化成一顆白矮星。
白矮星和地球的大小對比
為了確定白矮星的大小，只需要知道等離子體（又稱費(fèi)米氣體）在溫度和壓力下的行為即可。對于一顆太陽質(zhì)量的白矮星，其尺寸僅為地球大小。很難想象一整顆恒星的質(zhì)量被壓縮到地球般的體積中，但天文學(xué)家已經(jīng)在我們的星系中觀測到了許多白矮星。
電子壓力極其強(qiáng)大，所以在一個(gè)簡單物理模型中，無論給白矮星添加多少質(zhì)量，只會(huì)使它略變小。但在現(xiàn)實(shí)中，情況并非如此。電子費(fèi)米氣體被擠壓得越多，電子就運(yùn)動(dòng)得越快。白矮星的密度非常大，使得電子的運(yùn)動(dòng)速度非常高，幾乎接近光速。這意味著必須要考慮相對論。
相對論的一個(gè)重要結(jié)果就是質(zhì)量和能量是相聯(lián)系的。因此，重力不僅作用于物體的質(zhì)量，而且還作用于其能量。通常能量貢獻(xiàn)是可忽略不計(jì)的，但是當(dāng)電子接近光速時(shí)，它們的能量貢獻(xiàn)變得要比其質(zhì)量大得多。電子運(yùn)動(dòng)得越快，它們就越重。因此，電子加速所產(chǎn)生的更大壓力雖能抵抗重力，但最終還是會(huì)增加重力。
當(dāng)?shù)竭_(dá)一個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，即重力大于電子所能產(chǎn)生的壓力，那么費(fèi)米氣體則會(huì)完全坍縮。發(fā)生這種情況的臨界質(zhì)量大約為1.44倍的太陽質(zhì)量，這被稱為錢德拉塞卡極限。所以只要不斷給白矮星添加質(zhì)量超過這個(gè)極限，白矮星就會(huì)進(jìn)一步坍縮。但它仍然不會(huì)坍縮成一個(gè)黑洞。
中子星
在白矮星中，主要壓力由等離子體的電子引起，而原子核發(fā)揮的作用要小得多。但是當(dāng)一顆白矮星坍縮時(shí)，原子核的壓力仍然存在。電子坍縮會(huì)與質(zhì)子合并產(chǎn)生中子，留下的是中子費(fèi)米氣體，這就是中子星。
所產(chǎn)生的中子星再次達(dá)到壓力和重力的平衡。通過計(jì)算可得，一顆約2倍太陽質(zhì)量的恒星會(huì)被壓縮成直徑約為15公里的中子星。因?yàn)橹凶颖入娮又氐枚?，所以要給中子星添加更多的質(zhì)量，才能達(dá)到中子坍縮的臨界點(diǎn)。
在簡單的中子氣體模型中，無論添加多少質(zhì)量，中子星的尺寸在大約10-15公里處呈平穩(wěn)狀態(tài)。當(dāng)然，事實(shí)并非如此簡單。當(dāng)質(zhì)量不斷增加，星體的密度也會(huì)逐漸增加，直到一個(gè)臨界點(diǎn)就會(huì)形成黑洞。當(dāng)天體的半徑小于其史瓦西半徑時(shí)，將會(huì)形成一個(gè)黑洞。對于任何給定的質(zhì)量，可以很容易地計(jì)算出這個(gè)半徑。例如，地球的史瓦西半徑大約是一厘米，所以一個(gè)地球質(zhì)量的黑洞大約只有一顆玻璃珠大小。
黑洞
因此，為了創(chuàng)造一個(gè)黑洞，只需給中子星不斷添加質(zhì)量，直到它的史瓦西半徑大于中子星的半徑。這個(gè)極限被稱為奧本海默極限，大約為3倍太陽質(zhì)量。天文學(xué)家在星系中觀測到很多中子星，其最高質(zhì)量約為太陽的3倍。
所以建造一個(gè)黑洞就像建造一顆恒星，只要把足夠多的物質(zhì)聚集到一個(gè)足夠小的體積中，這就是宇宙的運(yùn)作原理。
