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，结果就会产生一个黑洞。从它表面逃逸所需的速度将达到光速，因为光速是最快的速度，所以任何东西都无法从黑洞中逃出来。
虽然理论上制造黑洞很容易，但实际的正常物质很难做到这一点。氢是宇宙中最常见的元素，它会在高温和高密度的连锁反应中融合形成一颗恒星，而不是黑洞。像白矮星和中子星这样的恒星核，也能抵抗住引力坍缩，避免成为黑洞。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，为什么会有这样的差别呢？
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成分组成的，即质子、中子和电子。每一个质子和中子都由三个夸克组成，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，电子本身就是基本粒子。粒子有两类，即费米子和玻色子，夸克和电子都是费米子。
事实证明，当涉及到黑洞形成的问题时，这些分类特性是至关重要的。费米子有一些特性玻色子没有，包括：（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）费米子满足泡利不相容原理；（4）最后一个特性是防止物质坍缩成黑洞的关键。
泡利不相容原理只适用于费米子，而非玻色子，这个原理表明在任何量子系统中，没有两个费米子可以占据相同的量子态。也就是说，如果把一个电子放在一个特定的位置，它会在那个状态下有一组性质：能级、角动量等等。
然而如果把第二个电子放到系统中相同的位置，它就被禁止拥有相同的量子数。它必须要么占据一个不同的能级，有一个不同的自旋（如果第一个是-1/2，它就是+1/2），要么在空间中占据一个不同的位置。
这就是为什么原子有不同的性质，为什么原子在复杂的组合中如此结合在一起，以及为什么元素周期表中的每一个元素都是独一无二的，因为每种原子的电子排布不同于其他原子。
质子和中子相似。尽管它们是由三个夸克组成的复合粒子，但它们表现得就像单个的费米子一样。它们也遵循泡利不相容原理，没有两个质子或中子可以占据相同的量子态。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。泡利不相容原理是防止所有最致密的天体成为黑洞的原因。
当观察宇宙中的白矮星时，它们的质量上限大约在1.4倍太阳质量，即钱德拉塞卡质量极限。由于没有两个电子能占据相同的量子态，因此量子简并压力是阻止黑洞形成的原因，直到超过极限值。
在中子星中，有一个类似的质量极限：托尔曼-奥本海默-沃尔科夫极限。最初预计这将与钱德拉塞卡质量极限相同，因为基础物理是相同的。当然，并不是特定的电子提供了量子简并压力，但是原理（和方程式）几乎是一样的。根据观测可知，中子星的质量比1.4倍太阳质量要大得多，可能会上升到太阳质量的2.3或2.5倍。
不过这种差异是有原因的。在中子星中，强大的核力起了作用，对比费米子冷气体的简单模型，它造成了更大的有效排斥力。在过去的20多年里，中子星理论质量极限的计算结果有很大变化：从大约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，都是不了解的。
或者更确切地说，这些未知事件困扰了我们很长一段时间，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刚取得了关键的进展，用于了解中子星内部发生的事情。
在过去的几十年里，质子和中子的核子模型已经有了很大提高，同时也改善了计算和实验技术。最新的研究使用了一种被称为康普顿散射的老技术，把电子发射到质子的内部结构中去探测它的结构。当一个电子与一个夸克相互作用时，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。通过测量这三种产物，可以计算出原子核内夸克经受的压力分布。发现结果令人震惊，质子中心附近的平均峰值压强达到10^35帕斯卡，比中子星内部压强还大。
换句话说，了解了单个核子内部的压力分布，我们可以计算出什么时候，在什么条件下可以克服这种压力。虽然这个实验只针对质子，但中子的结果应该类似，也就是说在未来，我们应该能够计算出更精确的中子星质量极限。
质子内部巨大压力的测量结果以及压力的分布，向我们展现了防止中子星坍塌的原因。每个质子和中子的内部压力来源于强核力，这种压力支撑着中子星。我们在精确确定质量阈值上得到了很大提升。除了依赖天体物理学的观测，核物理实验可能提供了理论上理解中子星极限所在的路标。
相关研究论文已经发表在《自然》（Nature）杂志上。
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