文明6科技胜利系外星系

前面，我们已经谈到过在掌握星系文明科技的前提下，怎样去建造恒星。现在让我们更进一步，来探讨一下如何建造一个黑洞。

大家可能还记得，建造一颗假想中的恒星基本上就是聚集足够多的物质，使其在自重下坍缩。有足够的质量（约80-90倍的木星质量），星体内部压力就会变得大到足以启动把氢融合成氦的核聚变，从而点亮恒星。由于原子的核聚变会向外产生很大的辐射压，使得建造一个黑洞比建造一颗恒星要更困难。

建造黑洞的一种简单方法是通过建造一颗质量庞大的恒星，然后等待其死亡。当恒星进行核聚变时，氢被聚变成氦。随着时间的推移，恒星的密度逐渐增加，而恒星会变得更热。最终，压力变得足够高，使得氦聚变成诸如碳、氮和氧等元素。这些元素最终还会聚变成更重的元素。

超新星爆发

但聚变到铁元素时，其吸收的热量要比释放出的多，恒星就无法产生足够的热量和能量来保持自身的稳定。对于大质量恒星而言，它们会爆发形成超新星。这样的爆炸撕裂了恒星，但同时也可能会压缩恒星的核心，使它坍缩成一个黑洞。

虽然这很容易，但不保证会形成一个黑洞。恒星可能会被完全撕碎，或者核心可能不会坍缩成一个黑洞。为了确保能制造出一个黑洞，必须要采取一条更加渐进的路线。我们可以从一颗类似于我们太阳的恒星开始，而非一颗质量庞大的恒星。

就像大型恒星已有，类太阳的恒星在其大部分的生命历程中会将氢聚变成氦。随着恒星的老去，它将逐渐变得更加密集和炽热，随着时间的推移将开始把氦聚变成碳、氮和氧。在大约100亿年后，它将耗尽用于聚变的氢和氦。由于没有足够的辐射压，恒星会在自身重量下开始坍缩。

在短时间内，它会聚变重元素，这会导致它膨胀成一颗红巨星。然而，类太阳的恒星根本没有足够的质量来爆发形成超新星，所以它最终能做的就是坍缩。但它不足以坍缩成一个黑洞。

此时恒星物质变成一种等离子体，原子已被分裂成电子和原子核的混合物。电子比原子核更容易运动，因此当这种恒星坍缩时，其电子压力（简并压力）与自身重力相平衡。当这种情况发生时，恒星就演化成一颗白矮星。

白矮星和地球的大小对比

为了确定白矮星的大小，只需要知道等离子体（又称费米气体）在温度和压力下的行为即可。对于一颗太阳质量的白矮星，其尺寸仅为地球大小。很难想象一整颗恒星的质量被压缩到地球般的体积中，但天文学家已经在我们的星系中观测到了许多白矮星。

电子压力极其强大，所以在一个简单物理模型中，无论给白矮星添加多少质量，只会使它略变小。但在现实中，情况并非如此。电子费米气体被挤压得越多，电子就运动得越快。白矮星的密度非常大，使得电子的运动速度非常高，几乎接近光速。这意味着必须要考虑相对论。

相对论的一个重要结果就是质量和能量是相联系的。因此，重力不仅作用于物体的质量，而且还作用于其能量。通常能量贡献是可忽略不计的，但是当电子接近光速时，它们的能量贡献变得要比其质量大得多。电子运动得越快，它们就越重。因此，电子加速所产生的更大压力虽能抵抗重力，但最终还是会增加重力。

当到达一个临界点时，即重力大于电子所能产生的压力，那么费米气体则会完全坍缩。发生这种情况的临界质量大约为1.44倍的太阳质量，这被称为钱德拉塞卡极限。所以只要不断给白矮星添加质量超过这个极限，白矮星就会进一步坍缩。但它仍然不会坍缩成一个黑洞。

中子星

在白矮星中，主要压力由等离子体的电子引起，而原子核发挥的作用要小得多。但是当一颗白矮星坍缩时，原子核的压力仍然存在。电子坍缩会与质子合并产生中子，留下的是中子费米气体，这就是中子星。

所产生的中子星再次达到压力和重力的平衡。通过计算可得，一颗约2倍太阳质量的恒星会被压缩成直径约为15公里的中子星。因为中子比电子重得多，所以要给中子星添加更多的质量，才能达到中子坍缩的临界点。

在简单的中子气体模型中，无论添加多少质量，中子星的尺寸在大约10-15公里处呈平稳状态。当然，事实并非如此简单。当质量不断增加，星体的密度也会逐渐增加，直到一个临界点就会形成黑洞。当天体的半径小于其史瓦西半径时，将会形成一个黑洞。对于任何给定的质量，可以很容易地计算出这个半径。例如，地球的史瓦西半径大约是一厘米，所以一个地球质量的黑洞大约只有一颗玻璃珠大小。

黑洞

因此，为了创造一个黑洞，只需给中子星不断添加质量，直到它的史瓦西半径大于中子星的半径。这个极限被称为奥本海默极限，大约为3倍太阳质量。天文学家在星系中观测到很多中子星，其最高质量约为太阳的3倍。

所以建造一个黑洞就像建造一颗恒星，只要把足够多的物质聚集到一个足够小的体积中，这就是宇宙的运作原理。