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，結果就會產生一個黑洞。從它表面逃逸所需的速度將達到光速，因為光速是最快的速度，所以任何東西都無法從黑洞中逃出來。
雖然理論上製造黑洞很容易，但實際的正常物質很難做到這一點。氫是宇宙中最常見的元素，它會在高溫和高密度的連鎖反應中融合形成一顆恆星，而不是黑洞。像白矮星和中子星這樣的恆星核，也能抵抗住引力坍縮，避免成為黑洞。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。那麼，為什麼會有這樣的差別呢？
在我們的宇宙中，我們所知道的基於物質的物體都是由一些簡單的成分組成的，即質子、中子和電子。每一個質子和中子都由三個夸克組成，一個質子包含兩個上夸克和一個下夸克，一箇中子包含一個上夸克和兩個下夸克。另一方面，電子本身就是基本粒子。粒子有兩類，即費米子和玻色子，夸克和電子都是費米子。
事實證明，當涉及到黑洞形成的問題時，這些分類特性是至關重要的。費米子有一些特性玻色子沒有，包括：（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）費米子滿足泡利不相容原理；（4）最後一個特性是防止物質坍縮成黑洞的關鍵。
泡利不相容原理只適用於費米子，而非玻色子，這個原理表明在任何量子系統中，沒有兩個費米子可以佔據相同的量子態。也就是說，如果把一個電子放在一個特定的位置，它會在那個狀態下有一組性質：能級、角動量等等。
然而如果把第二個電子放到系統中相同的位置，它就被禁止擁有相同的量子數。它必須要麼佔據一個不同的能級，有一個不同的自旋（如果第一個是-1/2，它就是+1/2），要麼在空間中佔據一個不同的位置。
這就是為什麼原子有不同的性質，為什麼原子在複雜的組合中如此結合在一起，以及為什麼元素週期表中的每一個元素都是獨一無二的，因為每種原子的電子排布不同於其他原子。
質子和中子相似。儘管它們是由三個夸克組成的複合粒子，但它們表現得就像單個的費米子一樣。它們也遵循泡利不相容原理，沒有兩個質子或中子可以佔據相同的量子態。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。泡利不相容原理是防止所有最緻密的天體成為黑洞的原因。
當觀察宇宙中的白矮星時，它們的質量上限大約在1.4倍太陽質量，即錢德拉塞卡質量極限。由於沒有兩個電子能佔據相同的量子態，因此量子簡併壓力是阻止黑洞形成的原因，直到超過極限值。
在中子星中，有一個類似的質量極限：托爾曼-奧本海默-沃爾科夫極限。最初預計這將與錢德拉塞卡質量極限相同，因為基礎物理是相同的。當然，並不是特定的電子提供了量子簡併壓力，但是原理（和方程式）幾乎是一樣的。根據觀測可知，中子星的質量比1.4倍太陽質量要大得多，可能會上升到太陽質量的2.3或2.5倍。
不過這種差異是有原因的。在中子星中，強大的核力起了作用，對比費米子冷氣體的簡單模型，它造成了更大的有效排斥力。在過去的20多年裡，中子星理論質量極限的計算結果有很大變化：從大約1.5倍到3.3倍太陽質量。數值不確定的原因是對極其緻密物質行為的未知，就像原子核中的密度一樣，都是不瞭解的。
或者更確切地說，這些未知事件困擾了我們很長一段時間，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剛取得了關鍵的進展，用於瞭解中子星內部發生的事情。
在過去的幾十年裡，質子和中子的核子模型已經有了很大提高，同時也改善了計算和實驗技術。最新的研究使用了一種被稱為康普頓散射的老技術，把電子發射到質子的內部結構中去探測它的結構。當一個電子與一個夸克相互作用時，它會釋放一個高能光子，以及一個散射的電子，並導致核反衝。通過測量這三種產物，可以計算出原子核內夸克經受的壓力分佈。發現結果令人震驚，質子中心附近的平均峰值壓強達到10^35帕斯卡，比中子星內部壓強還大。
換句話說，瞭解了單個核子內部的壓力分佈，我們可以計算出什麼時候，在什麼條件下可以克服這種壓力。雖然這個實驗只針對質子，但中子的結果應該類似，也就是說在未來，我們應該能夠計算出更精確的中子星質量極限。
質子內部巨大壓力的測量結果以及壓力的分佈，向我們展現了防止中子星坍塌的原因。每個質子和中子的內部壓力來源於強核力，這種壓力支撐著中子星。我們在精確確定質量閾值上得到了很大提升。除了依賴天體物理學的觀測，核物理實驗可能提供了理論上理解中子星極限所在的路標。
相關研究論文已經發表在《自然》（Nature）雜誌上。
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