奥本海默：从中子星到黑洞的天体物理学先驱

在奥本海默成为曼哈顿计划的领导者之前，他研究的是宇宙最极端条件下的核物理学。在1930年代的一系列论文中，奥本海默成为了首批确定单个原子核质量极限的物理学家之一。这些原子核存在于今天所知的中子星的核心，超过这个极限之后它会探索成“暗星”，也就是所谓的黑洞。尽管奥本海默以引领美国核武器发展计划而闻名，但他的天体物理学遗产今天仍然存在，成为我们理解黑洞及其形成的关键组成部分。

想象一颗恒星，它的主要组成部分是氢和氦，巨大的引力将这些物质无情地向内拉。一个长期困扰物理学家的问题是：为什么这些物体在引力作用下不会坍缩？为了使这种情况成为现实，恒星内部一定产生了某种压力，成功地**了万有引力。

那么，这个力是怎么产生的呢？它不可能是化学燃烧，因为太阳的寿命可以用亿年来衡量，而化学燃烧只可能有数千年的寿命。它也不可能来自引力收缩，因为恒星的密度不符合。在恒星的核心一定发生了某种新的反应：一种涉及核力的反应。

只要把两个事实放在一起看，就能强烈地暗示这一点：恒星的组成主要由氢构成，其次是氦；氢原子和氦原子核的相对质量，一个氦-4原子核的质量实际上比四个氢-1原子核的质量低0.7%。在恒星核心产生的极端压力和温度下，可能会发生一系列核反应，导致链式反应，氢核最终转化为氦核，并在此过程中释放能量。

通过爱因斯坦的质能方程，物理学家计算出，释放出的能量能够提供巨大的向外辐射压力，使恒星发光很长时间，同时使恒星免受引力坍缩的影响。虽然大多数研究这个问题的科学家都在努力了解核反应发生的细节，但奥本海默对这个问题的另一个方面更感兴趣：当一颗恒星的核燃料完全耗尽时，它会发生什么？

没有燃料来源继续产生辐射，引力就会占上风，恒星的核心就会开始收缩。任何快速收缩的物理系统，没有足够的时间在内部和外部环境之间交换热量，就会导致温度升高。根据我们的现代核物理知识，提高大质量恒星富含氦的核心的温度会导致氦聚变，释放的能量甚至比之前氢聚变释放的能量还要多。

但有些恒星，比如我们的太阳，不会被加热到足以引发任何进一步的核燃烧反应的温度。因此它的核心只会不断收缩，直到它无法再收缩。恒星可以收缩的程度是有限制的，这个限制由量子力学效应决定：漂浮在原子核海洋上的电子简并压力。因为没有两个电子可以占据相同的量子态，这是泡利不相容原理所规定的，所以这些类型的恒星残骸可以抵御引力坍缩。