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Fan jin ying（對話 | 貢獻） |
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| − | + | ''' 黑洞''' 并不“黑”，只是无法直接观测，但可以借由间接方式得知其存在与[[ 质量]] ，并且观测到它对其他事物的影响。 | |
| − | 黑洞分为恒星级黑洞（不到100倍太阳质量）、中等质量黑洞（100-10万倍太阳质量）和超大质量黑洞（10万倍太阳质量以上）。恒星级黑洞是大质量恒星的“木乃伊”，宇宙中有很多。一颗恒星临终时如果太重（大于3倍太阳质量），就没有任何力量可以阻止它在自身引力下塌缩成致密的 | + | 黑洞分为[[ 恒星]] 级黑洞（不到100倍太阳质量）、中等质量黑洞（100-10万倍[[ 太阳]] 质量）和超大质量黑洞（10万倍太阳质量以上）。[[ 恒星级黑洞]] 是大质量恒星的“[[ 木乃伊]] ”，宇宙中有很多。一颗恒星临终时如果太重（大于3倍太阳质量），就没有任何力量可以阻止它在自身引力下塌缩成致密的黑洞。 |
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| − | 2019年11月28日凌晨，国际科学期刊《自然》发布了中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究团队的一项重大发现。依托我国自主研制的国家重大科技基础设施[[郭守敬望远镜]]（LAMOST），研究团队发现了一颗迄今为止质量最大的[[恒星级黑洞]]，并提供了一种利用LAMOST巡天优势寻找黑洞的新方法。这颗70倍太阳质量的黑洞远超理论预言的质量上限。 | + | 黑洞密度超大，相当于10个太阳重的恒星，压缩为圆周为北京六环大小的一个球。因此引力也超强，身边的物质包括光都无法逃离。[[银河系]]中心就有一个约400万倍太阳质量的大黑洞。 |
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| + | 2019年11月28日凌晨，国际科学期刊《[[ 自然]] 》发布了[[ 中国科学院国家天文台]][[ 刘继峰]] 、[[ 张昊彤]] 研究团队的一项重大发现。依托我国自主研制的国家重大科技基础设施[[郭守敬望远镜]]（LAMOST），研究团队发现了一颗迄今为止质量最大的[[恒星级黑洞]]，并提供了一种利用LAMOST巡天优势寻找黑洞的新方法。这颗70倍太阳质量的黑洞远超理论预言的质量上限。 | ||
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| − | 主要探索人 | + | 主要探索人 史蒂芬·霍金 爱因斯坦 史瓦西 |
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==黑洞的定义== | ==黑洞的定义== | ||
| − | + | 黑洞是现代广义相对论中，[[ 宇宙]] 空间内存在的一种天体。黑洞的引力很大，使得视界内的逃逸速度大于[[ 光速]] 。 | |
| − | + | 1916 年，德国天文学家[[ 卡尔·史瓦西]](Karl Schwarzschild)通过计算得到了[[ 爱因斯坦]] 引力场方程的一个真空解，这个解表明，如果将大量物质集中于空间一点，其周围会产生奇异的现象，即在质点周围存在一个界面——“视界”一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。这种“不可思议的[[ 天体]] ”被美国物理学家[[ 约翰·阿奇博尔德·惠勒]](John Archibald Wheeler)命名为“黑洞”。 | |
| − | + | “黑洞是时空曲率大到光都无法从其事件视界逃脱的天体”。 | |
| − | + | 黑洞无法直接观测，但可以借由间接方式得知其存在与质量，并且观测到它对其他事物的影响。借由物体被吸入之前的因高热而放出和γ射线的“边缘讯息”，可以获取黑洞存在的讯息。推测出黑洞的存在也可借由间接观测恒星或星际云气团绕行轨迹取得位置以及质量。 | |
| − | + | 2017 年12月7日，[[ 美国卡耐基科学研究所]] 科学家发现有史以来最遥远的超大质量黑洞，其质量是太阳的8亿倍 。 | |
==黑洞的演化过程== | ==黑洞的演化过程== | ||
| − | + | 黑洞就是中心的一个密度无限大、时空曲率无限高、体积无限小，热量无限大的奇点和周围一部分空空如也的天区，这个天区范围之内不可见。依据阿尔伯特-爱因斯坦的[[ 相对论]] ，当一颗垂死恒星崩溃，它将聚集成一点，这里将成为黑洞，吞噬邻近[[ 宇宙]] 区域的所有光线和任何物质。 | |
| − | + | 黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程：某一个恒星在准备灭亡，核心在自身重力的作用下迅速地收缩，塌陷，发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止，被压缩成一个密实的星体，同时也压缩了内部的空间和时间。但在黑洞情况下，由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去，连中子间的排斥力也无法阻挡。中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末，剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。由于高质量而产生的引力，使得任何靠近它的物体都会被它吸进去。 | |
| − | + | 也可以简单理解为：通常恒星最初只含氢元素，恒星内部的[[ 氢原子核]] 时刻相互碰撞，发生[[ 聚变]] 。由于恒星质量很大，聚变产生的能量与恒星万有引力抗衡，以维持恒星结构的稳定。由于氢原子核的聚变产生新的元素——[[ 氦]] 元素，接着，氦原子也参与聚变，改变结构，生成[[ 锂]] 元素。如此类推，按照元素周期表的顺序，会依次有[[ 铍]] 元素、[[ 硼]] 元素、[[ 碳]] 元素、[[ 氮]] 元素等生成，直至[[ 铁]] 元素生成，该恒星便会坍塌。这是由于铁元素相当稳定，参与聚变时释放的能量小于所需能量，因而聚变停止，而铁元素存在于恒星内部，导致恒星内部不具有足够的能量与质量巨大的恒星的万有引力抗衡，从而引发恒星坍塌，最终形成黑洞。说它“黑”，是因为它产生的引力使得它周围的光都无法逃逸。跟中子星一样，黑洞也是由质量大于太阳质量好几十甚至几百倍以上的恒星演化而来的。 | |
| − | + | 当一颗恒星衰老时，它的[[ 热核反应]] 已经耗尽了中心的燃料，由中心产生的能量已经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直到最后形成体积接近无限小、密度几乎无限大的星体。而当它的半径一旦收缩到一定程度(一定小于史瓦西半径)，质量导致的时空扭曲就使得即使光也无法向外射出——“黑洞”就诞生了。 | |
==吸积== | ==吸积== | ||
| − | + | 黑洞通常是因为它们聚拢周围的气体产生辐射而被发现的，这一过程被称为吸积。高温气体辐射热能的效率会严重影响吸积流的几何与动力学特性。已观测到了辐射效率较高的薄盘以及辐射效率较低的厚盘。当吸积气体接近中央黑洞时，它们产生的辐射对黑洞的自转以是中央延展物质系统的流动。吸积是天体物理中最普遍的过程之一，而且也正是因为吸积才形成了我们周围许多常见的结构。在宇宙早期，当气体朝由暗物质造成的引力势阱中心流动时形成了星系。即使到了今天，恒星依然是由[[ 气体云]] 在其自身引力作用下坍缩碎裂，进而通过吸积周围气体而形成的。行星(包括地球)也是在新形成的恒星周围通过气体和岩石的聚集而形成的。当中央天体是一个黑洞时，吸积就会展现出它最为壮观的一面。黑洞除了吸积物质之外，还通过[[ 霍金蒸发]] 过程向外辐射粒子。 | |
==蒸发== | ==蒸发== | ||
| − | + | 由于黑洞的密度极大，根据公式我们可以知道密度=质量/体积，为了让黑洞密度无限大，而黑洞的质量不变，那就说明黑洞的体积要无限小，这样才能成为黑洞。黑洞是由一些恒星“灭亡”后所形成的死星，它的质量极大，体积极小。但黑洞也有灭亡的那天，按照霍金的理论，在量子物理中，有一种名为“[[ 隧道效应]] ”的现象，即一个粒子的场强分布虽然尽可能让能量低的地方较强，但即使在能量相当高的地方，场强仍会有分布，对于黑洞的边界来说，这就是一堵能量相当高的势垒，但是粒子仍有可能出去。 | |
| − | + | 霍金还证明，每个黑洞都有一定的温度，而且温度的高低与黑洞的质量成反比例。也就是说，大黑洞温度低，蒸发也微弱 ； 小黑洞的温度高蒸发也强烈，类似剧烈的爆发。相当于一个太阳质量的黑洞，大约要1x10^66年才能蒸发殆尽 ； 相当于一颗小行星质量的黑洞会在1x10^-21秒内蒸发得干干净净。 | |
==毁灭== | ==毁灭== | ||
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| − | + | 黑洞会发出耀眼的光芒，体积会缩小，甚至会爆炸，会喷射物体，发出耀眼的光芒。当[[英国]]物理学家[[斯蒂芬·威廉·霍金]]于1974年做此预言时，整个科学界为之震动。 | |
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| + | 霍金的理论是受灵感支配的思维的飞跃，他结合了广义相对论和量子理论，他发现黑洞周围的引力场释放出能量，同时消耗黑洞的能量和质量。 | ||
| − | + | 假设一对粒子会在任何时刻、任何地点被创生，被创生的粒子就是正粒子与反粒子，而如果这一创生过程发生在黑洞附近的话就会有两种情况发生：两粒子湮灭、一个粒子被吸入黑洞。“一个粒子被吸入黑洞”这一情况：在黑洞附近创生的一对粒子其中一个反粒子会被吸入黑洞，而正粒子会逃逸，由于能量不能凭空创生，我们设反粒子携带负能量，正粒子携带正能量，而反粒子的所有运动过程可以视为是一个正粒子的为之相反的运动过程，如一个反粒子被吸入黑洞可视为一个正粒子从黑洞逃逸。这一情况就是一个携带着从黑洞里来的正能量的[[ 粒子]] 逃逸了，即黑洞的总能量少了，而爱因斯坦的质能方程E=mc^2表明，能量的损失会导致质量的损失。 | |
| − | + | 当黑洞的质量越来越小时，它的温度会越来越高。这样，当黑洞损失质量时，它的温度和发射率增加，因而它的质量损失得更快。这种“[[ 霍金辐射]] ”对大多数黑洞来说可以忽略不计，因为大黑洞辐射的比较慢，而小黑洞则以极高的速度辐射能量，直到黑洞的爆炸。 | |
==探索历史== | ==探索历史== | ||
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| − | + | ===早年探索=== | |
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| + | 1970 年，美国的“自由”号[[ 人造卫星]] 发现了与其他射线源不同的[[ 天鹅]] 座X-1，位于天鹅座X-1上的是一个比太阳重30多倍的巨大蓝色星球，该星球被一个重约10个太阳的看不见的物体牵引着。天文学家一致认为这个物体就是黑洞，它就是人类发现的第一个黑洞。 | ||
| − | + | 1928 年，[[ 萨拉玛尼安·钱德拉塞卡]] （天体物理学家）到[[ 英国剑桥]] 跟英国天文学家[[ 阿瑟·爱丁顿]] 爵士（一位宣讲相对论的物理家）学习。[[ 钱德拉塞卡]] 意识到，[[ 泡利不相容原理]] 所能提供的排斥力有一个极限。恒星中的粒子的最大速度差被相对论限制为光速。这意味着，恒星变得足够紧致之时，由不相容原理引起的排斥力就会比[[ 引力]] 的作用小。钱德拉塞卡计算出；一个大约为太阳质量一倍半的冷的恒星不能支持自身以抵抗自己的引力。（这质量称为钱德拉塞卡极限）前苏联科学家列夫·达维多维奇·兰道几乎在同时也发现了类似的结论。 | |
| − | + | 如果一颗恒星的质量比钱德拉塞卡极限小，它最后会停止收缩并终于变成一颗半径为几千英里和[[ 密度]] 为每立方英寸几百吨的“白矮星”。[[ 白矮星]] 是它物质中电子之间的不相容原理排斥力所支持的。第一颗被观察到的是绕着夜空中最亮的恒星——[[ 天狼星]] 转动的那一颗。 | |
| − | + | [[ 兰道]] 指出，对于恒星还存在另一可能的终态。其极限质量大约也为太阳质量的一倍或二倍，但是其体积甚至比白矮星还小得多。这些恒星是由中子和质子之间，而不是电子之间的不相容原理排斥力所支持。所以它们被叫做中子星。它们的半径只有10英里左右，密度为每立方英寸几亿吨。在[[ 中子星]] 被第一次预言时，并没有任何方法去观察它，很久以后它们才被观察到。 | |
| − | + | 另一方面，质量比钱德拉塞卡极限还大的恒星在耗尽其燃料时，会出现一个很大的问题：在某种情形下，它们会爆炸或抛出足够的物质，使自己的质量减少到极限之下，以避免灾难性的引力坍缩，不管恒星有多大，这总会发生。[[ 爱丁顿]] 拒绝相信[[ 钱德拉塞卡]] 的结果。爱丁顿认为，一颗恒星不可能坍缩成一点。这是大多数科学家的观点：爱因斯坦自己写了一篇论文，宣布恒星的体积不会收缩为零。其他科学家，尤其是他以前的老师、恒星结构的主要权威——爱丁顿的敌意使钱德拉塞卡抛弃了这方面的工作，转去研究诸如恒星团运动等其他天文学问题。然而，他获得1983年[[ 诺贝尔奖]] ，至少部分原因在于他早年所做的关于[[ 冷恒星]] 的质量极限的工作。 | |
| − | + | 钱德拉塞卡指出，泡利不相容原理不能够阻止质量大于钱德拉塞卡极限的恒星发生坍缩。但是，根据广义相对论，这样的恒星会发生什么情况呢。这个问题被一位年轻的美国人[[ 罗伯特·奥本海默]] 于1939年首次解决。然而，他所获得的结果表明，用当时的望远镜去观察不会再有任何结果。以后，因第二次世界大战的干扰，奥本海默卷入到原子弹计划中去。战后，由于大部分科学家被吸引到原子和原子核尺度的物理中去，因而引力坍缩的问题被大部分人忘记了。 | |
| − | + | 1967 年，剑桥的一位研究生约瑟琳·贝尔发现了天空发射出无线电波的规则脉冲的物体，这对黑洞的存在的预言带来了进一步的鼓舞。起初贝尔和她的导师[[ 安东尼·赫维]] 许以为，他们可能和我们星系中的外星文明进行了接触。在宣布他们发现的讨论会上，他们将这四个最早发现的源称为LGM1－4，LGM表示“小绿人”（“Little Green Man”）的意思。最终他们和所有其他人的结论是这些被称为脉冲星的物体，事实上是旋转的中子星，这些中子星由于在黑洞这个概念刚被提出的时候，共有两种光理论：一种是牛顿赞成的光的微粒说；另一种是光的波动说。由于量子力学的波粒二象性，光既可认为是波，也可认为是粒子。在光的波动说中，不清楚光对引力如何响应。但是如果光是由粒子组成的，人们可以预料，它们正如同炮弹、火箭和行星那样受引力的影响。起先人们以为，光粒子无限快地运动，所以引力不可能使之慢下来，但是罗麦关于光速度有限的发现表明引力对之可有重要效应。 | |
| − | + | 1783 年，剑桥的学监[[ 约翰·米歇尔]] 在这个假定的基础上，在《[[ 伦敦皇家学会哲学学报]] 》上发表了一篇文章。他指出，一个质量足够大并足够紧致的恒星会有如此强大的引力场，以致于连光线都不能逃逸——任何从恒星表面发出的光，还没到达远处即会被恒星的引力吸引回来。米歇尔暗示，可能存在大量这样的恒星，虽然会由于从它们那里发出的光不会到达我们这儿而使我们不能看到它们，但我们仍然可以感到它们的引力的吸引作用。这正是我们称为黑洞的物体。 | |
| − | + | 事实上，因为光速是固定的，所以，在牛顿引力论中将光类似炮弹那样处理不严谨。（从地面发射上天的炮弹由于引力而减速，最后停止上升并折回地面；然而，一个光子必须以不变的速度继续向上，那么牛顿引力对于光如何发生影响。）在1915年爱因斯坦提出广义相对论之前，一直没有关于引力如何影响光的协调的理论，之后这个理论对大质量恒星的含意才被理解。 | |
| − | + | 观察一个恒星坍缩并形成黑洞时，因为在相对论中没有绝对时间，所以每个观测者都有自己的时间测量。由于恒星的引力场，在恒星上某人的时间将和在远处某人的时间不同。假定在坍缩星表面有一无畏的航天员和恒星一起向内坍缩，按照他的表，每一秒钟发一信号到一个绕着该恒星转动的空间飞船上去。在他的表的某一时刻，譬如11点钟，恒星刚好收缩到它的临界半径，此时引力场强到没有任何东西可以逃逸出去，他的信号再也不能传到[[ 空间飞船]] 了。当11点到达时，他在空间飞船中的伙伴发现，航天员发来的一串信号的时间间隔越变越长。但是这个效应在10点59分59秒之前是非常微小的。在收到10点59分58秒和10点59分59秒发出的两个信号之间，他们只需等待比一秒钟稍长一点的时间，然而他们必须为11点发出的信号等待无限长的时间。按照[[ 航天员]] 的手表，光波是在10点59分59秒和11点之间由恒星表面发出；从空间飞船上看，那光波被散开到无限长的时间间隔里。在空间飞船上收到这一串光波的时间间隔变得越来越长，所以恒星来的光显得越来越红、越来越淡，最后，该恒星变得如此之朦胧，以至于从空间飞船上再也看不见它，所余下的只是空间中的一个黑洞。然而，此恒星继续以同样的引力作用到空间飞船上，使飞船继续绕着所形成的黑洞旋转。 | |
| − | + | 但是由于以下的问题，使得上述情景不是完全现实的。离开恒星越远则引力越弱，所以作用在这位无畏的航天员脚上的引力总比作用到他头上的大。在恒星还未收缩到临界半径而形成事件视界之前，这力的差就已经将航天员拉成[[ 意大利]] 面条那样，甚至将他撕裂 ！ 然而，在宇宙中存在质量大得多的天体，譬如[[ 星系]] 的中心区域，它们遭受到引力坍缩而产生黑洞；一位在这样的物体上面的航天员在黑洞形成之前不会被撕开。事实上，当他到达临界半径时，不会有任何异样的感觉，甚至在通过永不回返的那一点时，都没注意到。但是，随着这区域继续坍缩，只要在几个钟头之内，作用到他头上和脚上的引力之差会变得如此之大，以至于再将其撕裂。 | |
| − | + | [[ 罗杰·彭罗斯]] 在1965年和1970年之间的研究指出，根据广义相对论，在黑洞中必然存在无限大密度和空间——时间曲率的奇点。这和时间开端时的大爆炸相当类似，只不过它是一个坍缩物体和航天员的时间终点而已。在此奇点，科学定律和预言将来的能力都失效了。然而，任何留在黑洞之外的观察者，将不会受到可预见性失效的影响，因为从奇点出发的不管是光还是任何其他信号都不能到达。这令人惊奇的事实导致罗杰·彭罗斯提出了宇宙监督猜测，它可以被意译为：“上帝憎恶裸奇点。”换言之，由引力坍缩所产生的奇点只能发生在像黑洞这样的地方，在那儿它被事件视界体面地遮住而不被外界看见。严格地讲，这是所谓弱的宇宙监督猜测：它使留在黑洞外面的观察者不致受到发生在奇点处的可预见性失效的影响，但它对那位不幸落到黑洞里的可怜的航天员却是爱莫能助。 | |
===广义相对论相关=== | ===广义相对论相关=== | ||
| − | + | 广义相对论方程存在一些解，这些解使得我们的航天员可能看到裸奇点。他也许能避免撞到奇点上去，而穿过一个“虫洞”来到宇宙的另一区域。看来这给空间——时间内的旅行提供了巨大的可能性。但是不幸的是，所有这些解似乎都是非常不稳定的；最小的干扰，譬如一个航天员的存在就会使之改变，以至于他还没能看到此奇点，就撞上去而结束了他的时间。换言之，奇点总是发生在他的将来，而从不会在过去。强的宇宙监督猜测是说，在一个现实的解里，奇点总是或者整个存在于将来（如引力坍缩的奇点），或者整个存在于过去（如[[ 大爆炸]] ）。因为在接近裸奇点处可能旅行到过去，所以宇宙监督猜测的某种形式的成立是大有希望的。 | |
| − | + | 事件视界，也就是空间——时间中不可逃逸区域的边界，正如同围绕着黑洞的单向膜：物体，譬如不谨慎的航天员，能通过事件视界落到黑洞里去，但是没有任何东西可以通过事件视界而逃离黑洞。（记住事件视界是企图逃离黑洞的光的空间——时间轨道，没有任何东西可以比光运动得更快）人们可以将诗人但丁针对地狱入口所说的话恰到好处地用于事件视界：“从这儿进去的人必须抛弃一切希望。”任何东西或任何人一旦进入事件视界，就会很快地到达无限致密的区域和时间的终点。 | |
| − | + | 广义相对论预言，运动的重物会导致引力波的辐射，那是以光的速度传播的空间——时间曲率的涟漪。[[ 引力波]] 和[[ 电磁场]] 的涟漪[[ 光波]] 相类似，但是要探测到它则困难得多。就像光一样，它带走了发射它们的物体的能量。因为任何运动中的能量都会被引力波的辐射所带走，所以可以预料，一个大质量物体的系统最终会趋向于一种不变的状态。（这和扔一块软木到水中的情况相当类似，起先翻上翻下折腾了好一阵，但是当涟漪将其能量带走，就使它最终平静下来。）例如，绕着[[ 太阳公转]] 的[[ 地球]] 即产生引力波。其能量损失的效应将改变地球的轨道，使之逐渐越来越接近太阳，最后撞到太阳上，以这种方式归于最终不变的状态。在地球和太阳的情形下能量损失率非常小——大约只能点燃一个小电热器， 这意味着要用大约1千亿亿亿年地球才会和太阳相撞，没有必要立即去为之担忧！地球轨道改变的过程极其缓慢，以至于根本观测不到。但几年以前，在称为PSR1913+16（PSR表示“脉冲星”，一种特别的发射出无线电波规则脉冲的中子星）的系统中观测到这一效应。此系统包含两个互相围绕着运动的中子星，由于引力波辐射，它们的能量损失，使之相互以螺旋线轨道靠近。 | |
| − | + | 在恒星引力坍缩形成黑洞时，运动会更快得多，这样能量被带走的速率就高得多。所以不用太长的时间就会达到不变的状态。人们会以为它将依赖于形成黑洞的恒星的所有的复杂特征——不仅仅它的质量和转动速度，而且恒星不同部分的不同密度以及恒星内气体的复杂运动。如果黑洞就像坍缩形成它们的原先物体那样变化多端，一般来讲，对之作任何预言都将是非常困难的。 | |
| − | + | 然而，[[ 加拿大]] 科学家外奈·伊斯雷尔在1967年使黑洞研究发生了彻底的改变。他指出，根据广义相对论，非旋转的黑洞必须是非常简单、完美的球形；其大小只依赖于它们的质量，并且任何两个这样的同质量的黑洞必须是等同的。事实上，它们可以用爱因斯坦的特解来描述，这个解是在广义相对论发现后不久的1917年卡尔·施瓦兹席尔德找到的。一开始，许多人（其中包括伊斯雷尔自己）认为，既然黑洞必须是完美的球形，一个黑洞只能由一个完美球形物体坍缩而形成。所以，任何实际的恒星从来都不是完美的球形只会坍缩形成一个裸奇点。 | |
然而，对于伊斯雷尔的结果，一些人，特别是罗杰·彭罗斯和约翰·惠勒提倡一种不同的解释。他们论证道，牵涉恒星坍缩的快速运动表明，其释放出来的引力波使之越来越近于球形，到它终于静态时，就变成准确的球形。按照这种观点，任何非旋转恒星，不管其形状和内部结构如何复杂，在引力坍缩之后都将终结于一个完美的球形黑洞，其大小只依赖于它的质量。这种观点得到进一步的计算支持，并且很快就为大家所接受。 | 然而，对于伊斯雷尔的结果，一些人，特别是罗杰·彭罗斯和约翰·惠勒提倡一种不同的解释。他们论证道，牵涉恒星坍缩的快速运动表明，其释放出来的引力波使之越来越近于球形，到它终于静态时，就变成准确的球形。按照这种观点，任何非旋转恒星，不管其形状和内部结构如何复杂，在引力坍缩之后都将终结于一个完美的球形黑洞，其大小只依赖于它的质量。这种观点得到进一步的计算支持，并且很快就为大家所接受。 | ||
於 2019年12月31日 (二) 06:54 的修訂
黑洞並不「黑」，只是無法直接觀測，但可以藉由間接方式得知其存在與質量，並且觀測到它對其他事物的影響。
黑洞分為恆星級黑洞（不到100倍太陽質量）、中等質量黑洞（100-10萬倍太陽質量）和超大質量黑洞（10萬倍太陽質量以上）。恆星級黑洞是大質量恆星的「木乃伊」，宇宙中有很多。一顆恆星臨終時如果太重（大於3倍太陽質量），就沒有任何力量可以阻止它在自身引力下塌縮成緻密的黑洞。
黑洞密度超大，相當於10個太陽重的恆星，壓縮為圓周為北京六環大小的一個球。因此引力也超強，身邊的物質包括光都無法逃離。銀河系中心就有一個約400萬倍太陽質量的大黑洞。
2019年11月28日凌晨，國際科學期刊《自然》發布了中國科學院國家天文台劉繼峰、張昊彤研究團隊的一項重大發現。依託我國自主研製的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST），研究團隊發現了一顆迄今為止質量最大的恆星級黑洞，並提供了一種利用LAMOST巡天優勢尋找黑洞的新方法。這顆70倍太陽質量的黑洞遠超理論預言的質量上限。
基本信息
中文名
黑洞
外文名 Black hole
別稱 無底洞 空間斷裂帶
分類 宇宙天體
發現者 卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)
發現時間 1916年
質量 65億倍太陽質量
平均密度 ＋∞
直徑 －∞
表面溫度 T=hc^3/8πkGM
逃逸速度 313248km/s
視星等 無
絕對星等 無
自轉周期 不自轉
公轉周期 不公轉
主要探索人 史蒂芬·霍金 愛因斯坦 史瓦西
目錄
黑洞的定義
黑洞是現代廣義相對論中，宇宙空間內存在的一種天體。黑洞的引力很大，使得視界內的逃逸速度大於光速。
1916年，德國天文學家卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)通過計算得到了愛因斯坦引力場方程的一個真空解，這個解表明，如果將大量物質集中於空間一點，其周圍會產生奇異的現象，即在質點周圍存在一個界面——「視界」一旦進入這個界面，即使光也無法逃脫。這種「不可思議的天體」被美國物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒(John Archibald Wheeler)命名為「黑洞」。
「黑洞是時空曲率大到光都無法從其事件視界逃脫的天體」。
黑洞無法直接觀測，但可以藉由間接方式得知其存在與質量，並且觀測到它對其他事物的影響。藉由物體被吸入之前的因高熱而放出和γ射線的「邊緣訊息」，可以獲取黑洞存在的訊息。推測出黑洞的存在也可藉由間接觀測恆星或星際雲氣團繞行軌跡取得位置以及質量。
2017年12月7日，美國卡耐基科學研究所科學家發現有史以來最遙遠的超大質量黑洞，其質量是太陽的8億倍 。
黑洞的演化過程
黑洞就是中心的一個密度無限大、時空曲率無限高、體積無限小，熱量無限大的奇點和周圍一部分空空如也的天區，這個天區範圍之內不可見。依據阿爾伯特-愛因斯坦的相對論，當一顆垂死恆星崩潰，它將聚集成一點，這裡將成為黑洞，吞噬鄰近宇宙區域的所有光線和任何物質。
黑洞的產生過程類似於中子星的產生過程：某一個恆星在準備滅亡，核心在自身重力的作用下迅速地收縮，塌陷，發生強力爆炸。當核心中所有的物質都變成中子時收縮過程立即停止，被壓縮成一個密實的星體，同時也壓縮了內部的空間和時間。但在黑洞情況下，由於恆星核心的質量大到使收縮過程無休止地進行下去，連中子間的排斥力也無法阻擋。中子本身在擠壓引力自身的吸引下被碾為粉末，剩下來的是一個密度高到難以想象的物質。由於高質量而產生的引力，使得任何靠近它的物體都會被它吸進去。
也可以簡單理解為：通常恆星最初只含氫元素，恆星內部的氫原子核時刻相互碰撞，發生聚變。由於恆星質量很大，聚變產生的能量與恆星萬有引力抗衡，以維持恆星結構的穩定。由於氫原子核的聚變產生新的元素——氦元素，接着，氦原子也參與聚變，改變結構，生成鋰元素。如此類推，按照元素周期表的順序，會依次有鈹元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成，直至鐵元素生成，該恆星便會坍塌。這是由於鐵元素相當穩定，參與聚變時釋放的能量小於所需能量，因而聚變停止，而鐵元素存在於恆星內部，導致恆星內部不具有足夠的能量與質量巨大的恆星的萬有引力抗衡，從而引發恆星坍塌，最終形成黑洞。說它「黑」，是因為它產生的引力使得它周圍的光都無法逃逸。跟中子星一樣，黑洞也是由質量大於太陽質量好幾十甚至幾百倍以上的恆星演化而來的。
當一顆恆星衰老時，它的熱核反應已經耗盡了中心的燃料，由中心產生的能量已經不多了。這樣，它再也沒有足夠的力量來承擔起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，物質將不可阻擋地向着中心點進軍，直到最後形成體積接近無限小、密度幾乎無限大的星體。而當它的半徑一旦收縮到一定程度(一定小於史瓦西半徑)，質量導致的時空扭曲就使得即使光也無法向外射出——「黑洞」就誕生了。
吸積
黑洞通常是因為它們聚攏周圍的氣體產生輻射而被發現的，這一過程被稱為吸積。高溫氣體輻射熱能的效率會嚴重影響吸積流的幾何與動力學特性。已觀測到了輻射效率較高的薄盤以及輻射效率較低的厚盤。當吸積氣體接近中央黑洞時，它們產生的輻射對黑洞的自轉以是中央延展物質系統的流動。吸積是天體物理中最普遍的過程之一，而且也正是因為吸積才形成了我們周圍許多常見的結構。在宇宙早期，當氣體朝由暗物質造成的引力勢阱中心流動時形成了星系。即使到了今天，恆星依然是由氣體雲在其自身引力作用下坍縮碎裂，進而通過吸積周圍氣體而形成的。行星(包括地球)也是在新形成的恆星周圍通過氣體和岩石的聚集而形成的。當中央天體是一個黑洞時，吸積就會展現出它最為壯觀的一面。黑洞除了吸積物質之外，還通過霍金蒸發過程向外輻射粒子。
蒸發
由於黑洞的密度極大，根據公式我們可以知道密度=質量/體積，為了讓黑洞密度無限大，而黑洞的質量不變，那就說明黑洞的體積要無限小，這樣才能成為黑洞。黑洞是由一些恆星「滅亡」後所形成的死星，它的質量極大，體積極小。但黑洞也有滅亡的那天，按照霍金的理論，在量子物理中，有一種名為「隧道效應」的現象，即一個粒子的場強分布雖然儘可能讓能量低的地方較強，但即使在能量相當高的地方，場強仍會有分布，對於黑洞的邊界來說，這就是一堵能量相當高的勢壘，但是粒子仍有可能出去。
霍金還證明，每個黑洞都有一定的溫度，而且溫度的高低與黑洞的質量成反比例。也就是說，大黑洞溫度低，蒸發也微弱；小黑洞的溫度高蒸發也強烈，類似劇烈的爆發。相當於一個太陽質量的黑洞，大約要1x10^66年才能蒸發殆盡；相當於一顆小行星質量的黑洞會在1x10^-21秒內蒸發得乾乾淨淨。
毀滅
黑洞會發出耀眼的光芒，體積會縮小，甚至會爆炸，會噴射物體，發出耀眼的光芒。當英國物理學家斯蒂芬·威廉·霍金於1974年做此預言時，整個科學界為之震動。
霍金的理論是受靈感支配的思維的飛躍，他結合了廣義相對論和量子理論，他發現黑洞周圍的引力場釋放出能量，同時消耗黑洞的能量和質量。
假設一對粒子會在任何時刻、任何地點被創生，被創生的粒子就是正粒子與反粒子，而如果這一創生過程發生在黑洞附近的話就會有兩種情況發生：兩粒子湮滅、一個粒子被吸入黑洞。「一個粒子被吸入黑洞」這一情況：在黑洞附近創生的一對粒子其中一個反粒子會被吸入黑洞，而正粒子會逃逸，由於能量不能憑空創生，我們設反粒子攜帶負能量，正粒子攜帶正能量，而反粒子的所有運動過程可以視為是一個正粒子的為之相反的運動過程，如一個反粒子被吸入黑洞可視為一個正粒子從黑洞逃逸。這一情況就是一個攜帶着從黑洞裡來的正能量的粒子逃逸了，即黑洞的總能量少了，而愛因斯坦的質能方程E=mc^2表明，能量的損失會導致質量的損失。
當黑洞的質量越來越小時，它的溫度會越來越高。這樣，當黑洞損失質量時，它的溫度和發射率增加，因而它的質量損失得更快。這種「霍金輻射」對大多數黑洞來說可以忽略不計，因為大黑洞輻射的比較慢，而小黑洞則以極高的速度輻射能量，直到黑洞的爆炸。
探索歷史
早年探索
1970年，美國的「自由」號人造衛星發現了與其他射線源不同的天鵝座X-1，位於天鵝座X-1上的是一個比太陽重30多倍的巨大藍色星球，該星球被一個重約10個太陽的看不見的物體牽引着。天文學家一致認為這個物體就是黑洞，它就是人類發現的第一個黑洞。
1928年，薩拉瑪尼安·錢德拉塞卡（天體物理學家）到英國劍橋跟英國天文學家阿瑟·愛丁頓爵士（一位宣講相對論的物理家）學習。錢德拉塞卡意識到，泡利不相容原理所能提供的排斥力有一個極限。恆星中的粒子的最大速度差被相對論限制為光速。這意味着，恆星變得足夠緊緻之時，由不相容原理引起的排斥力就會比引力的作用小。錢德拉塞卡計算出；一個大約為太陽質量一倍半的冷的恆星不能支持自身以抵抗自己的引力。（這質量稱為錢德拉塞卡極限）前蘇聯科學家列夫·達維多維奇·蘭道幾乎在同時也發現了類似的結論。
如果一顆恆星的質量比錢德拉塞卡極限小，它最後會停止收縮並終於變成一顆半徑為幾千英里和密度為每立方英寸幾百噸的「白矮星」。白矮星是它物質中電子之間的不相容原理排斥力所支持的。第一顆被觀察到的是繞着夜空中最亮的恆星——天狼星轉動的那一顆。
蘭道指出，對於恆星還存在另一可能的終態。其極限質量大約也為太陽質量的一倍或二倍，但是其體積甚至比白矮星還小得多。這些恆星是由中子和質子之間，而不是電子之間的不相容原理排斥力所支持。所以它們被叫做中子星。它們的半徑只有10英里左右，密度為每立方英寸幾億噸。在中子星被第一次預言時，並沒有任何方法去觀察它，很久以後它們才被觀察到。
另一方面，質量比錢德拉塞卡極限還大的恆星在耗盡其燃料時，會出現一個很大的問題：在某種情形下，它們會爆炸或拋出足夠的物質，使自己的質量減少到極限之下，以避免災難性的引力坍縮，不管恆星有多大，這總會發生。愛丁頓拒絕相信錢德拉塞卡的結果。愛丁頓認為，一顆恆星不可能坍縮成一點。這是大多數科學家的觀點：愛因斯坦自己寫了一篇論文，宣布恆星的體積不會收縮為零。其他科學家，尤其是他以前的老師、恆星結構的主要權威——愛丁頓的敵意使錢德拉塞卡拋棄了這方面的工作，轉去研究諸如恆星團運動等其他天文學問題。然而，他獲得1983年諾貝爾獎，至少部分原因在於他早年所做的關於冷恆星的質量極限的工作。
錢德拉塞卡指出，泡利不相容原理不能夠阻止質量大於錢德拉塞卡極限的恆星發生坍縮。但是，根據廣義相對論，這樣的恆星會發生什麼情況呢。這個問題被一位年輕的美國人羅伯特·奧本海默於1939年首次解決。然而，他所獲得的結果表明，用當時的望遠鏡去觀察不會再有任何結果。以後，因第二次世界大戰的干擾，奧本海默捲入到原子彈計劃中去。戰後，由於大部分科學家被吸引到原子和原子核尺度的物理中去，因而引力坍縮的問題被大部分人忘記了。
1967年，劍橋的一位研究生約瑟琳·貝爾發現了天空發射出無線電波的規則脈衝的物體，這對黑洞的存在的預言帶來了進一步的鼓舞。起初貝爾和她的導師安東尼·赫維許以為，他們可能和我們星系中的外星文明進行了接觸。在宣布他們發現的討論會上，他們將這四個最早發現的源稱為LGM1－4，LGM表示「小綠人」（「Little Green Man」）的意思。最終他們和所有其他人的結論是這些被稱為脈衝星的物體，事實上是旋轉的中子星，這些中子星由於在黑洞這個概念剛被提出的時候，共有兩種光理論：一種是牛頓贊成的光的微粒說；另一種是光的波動說。由於量子力學的波粒二象性，光既可認為是波，也可認為是粒子。在光的波動說中，不清楚光對引力如何響應。但是如果光是由粒子組成的，人們可以預料，它們正如同炮彈、火箭和行星那樣受引力的影響。起先人們以為，光粒子無限快地運動，所以引力不可能使之慢下來，但是羅麥關於光速度有限的發現表明引力對之可有重要效應。
1783年，劍橋的學監約翰·米歇爾在這個假定的基礎上，在《倫敦皇家學會哲學學報》上發表了一篇文章。他指出，一個質量足夠大並足夠緊緻的恆星會有如此強大的引力場，以致於連光線都不能逃逸——任何從恆星表面發出的光，還沒到達遠處即會被恆星的引力吸引回來。米歇爾暗示，可能存在大量這樣的恆星，雖然會由於從它們那裡發出的光不會到達我們這兒而使我們不能看到它們，但我們仍然可以感到它們的引力的吸引作用。這正是我們稱為黑洞的物體。
事實上，因為光速是固定的，所以，在牛頓引力論中將光類似炮彈那樣處理不嚴謹。（從地面發射上天的炮彈由於引力而減速，最後停止上升並折回地面；然而，一個光子必須以不變的速度繼續向上，那麼牛頓引力對於光如何發生影響。）在1915年愛因斯坦提出廣義相對論之前，一直沒有關於引力如何影響光的協調的理論，之後這個理論對大質量恆星的含意才被理解。
觀察一個恆星坍縮並形成黑洞時，因為在相對論中沒有絕對時間，所以每個觀測者都有自己的時間測量。由於恆星的引力場，在恆星上某人的時間將和在遠處某人的時間不同。假定在坍縮星表面有一無畏的航天員和恆星一起向內坍縮，按照他的表，每一秒鐘發一信號到一個繞着該恆星轉動的空間飛船上去。在他的表的某一時刻，譬如11點鐘，恆星剛好收縮到它的臨界半徑，此時引力場強到沒有任何東西可以逃逸出去，他的信號再也不能傳到空間飛船了。當11點到達時，他在空間飛船中的夥伴發現，航天員發來的一串信號的時間間隔越變越長。但是這個效應在10點59分59秒之前是非常微小的。在收到10點59分58秒和10點59分59秒發出的兩個信號之間，他們只需等待比一秒鐘稍長一點的時間，然而他們必須為11點發出的信號等待無限長的時間。按照航天員的手錶，光波是在10點59分59秒和11點之間由恆星表面發出；從空間飛船上看，那光波被散開到無限長的時間間隔里。在空間飛船上收到這一串光波的時間間隔變得越來越長，所以恆星來的光顯得越來越紅、越來越淡，最後，該恆星變得如此之朦朧，以至於從空間飛船上再也看不見它，所餘下的只是空間中的一個黑洞。然而，此恆星繼續以同樣的引力作用到空間飛船上，使飛船繼續繞着所形成的黑洞旋轉。
但是由於以下的問題，使得上述情景不是完全現實的。離開恆星越遠則引力越弱，所以作用在這位無畏的航天員腳上的引力總比作用到他頭上的大。在恆星還未收縮到臨界半徑而形成事件視界之前，這力的差就已經將航天員拉成意大利麵條那樣，甚至將他撕裂 ！然而，在宇宙中存在質量大得多的天體，譬如星系的中心區域，它們遭受到引力坍縮而產生黑洞；一位在這樣的物體上面的航天員在黑洞形成之前不會被撕開。事實上，當他到達臨界半徑時，不會有任何異樣的感覺，甚至在通過永不回返的那一點時，都沒注意到。但是，隨着這區域繼續坍縮，只要在幾個鐘頭之內，作用到他頭上和腳上的引力之差會變得如此之大，以至於再將其撕裂。
羅傑·彭羅斯在1965年和1970年之間的研究指出，根據廣義相對論，在黑洞中必然存在無限大密度和空間——時間曲率的奇點。這和時間開端時的大爆炸相當類似，只不過它是一個坍縮物體和航天員的時間終點而已。在此奇點，科學定律和預言將來的能力都失效了。然而，任何留在黑洞之外的觀察者，將不會受到可預見性失效的影響，因為從奇點出發的不管是光還是任何其他信號都不能到達。這令人驚奇的事實導致羅傑·彭羅斯提出了宇宙監督猜測，它可以被意譯為：「上帝憎惡裸奇點。」換言之，由引力坍縮所產生的奇點只能發生在像黑洞這樣的地方，在那兒它被事件視界體面地遮住而不被外界看見。嚴格地講，這是所謂弱的宇宙監督猜測：它使留在黑洞外面的觀察者不致受到發生在奇點處的可預見性失效的影響，但它對那位不幸落到黑洞裡的可憐的航天員卻是愛莫能助。
廣義相對論相關
廣義相對論方程存在一些解，這些解使得我們的航天員可能看到裸奇點。他也許能避免撞到奇點上去，而穿過一個「蟲洞」來到宇宙的另一區域。看來這給空間——時間內的旅行提供了巨大的可能性。但是不幸的是，所有這些解似乎都是非常不穩定的；最小的干擾，譬如一個航天員的存在就會使之改變，以至於他還沒能看到此奇點，就撞上去而結束了他的時間。換言之，奇點總是發生在他的將來，而從不會在過去。強的宇宙監督猜測是說，在一個現實的解里，奇點總是或者整個存在於將來（如引力坍縮的奇點），或者整個存在於過去（如大爆炸）。因為在接近裸奇點處可能旅行到過去，所以宇宙監督猜測的某種形式的成立是大有希望的。
事件視界，也就是空間——時間中不可逃逸區域的邊界，正如同圍繞着黑洞的單向膜：物體，譬如不謹慎的航天員，能通過事件視界落到黑洞裡去，但是沒有任何東西可以通過事件視界而逃離黑洞。（記住事件視界是企圖逃離黑洞的光的空間——時間軌道，沒有任何東西可以比光運動得更快）人們可以將詩人但丁針對地獄入口所說的話恰到好處地用於事件視界：「從這兒進去的人必須拋棄一切希望。」任何東西或任何人一旦進入事件視界，就會很快地到達無限緻密的區域和時間的終點。
廣義相對論預言，運動的重物會導致引力波的輻射，那是以光的速度傳播的空間——時間曲率的漣漪。引力波和電磁場的漣漪光波相類似，但是要探測到它則困難得多。就像光一樣，它帶走了發射它們的物體的能量。因為任何運動中的能量都會被引力波的輻射所帶走，所以可以預料，一個大質量物體的系統最終會趨向於一種不變的狀態。（這和扔一塊軟木到水中的情況相當類似，起先翻上翻下折騰了好一陣，但是當漣漪將其能量帶走，就使它最終平靜下來。）例如，繞着太陽公轉的地球即產生引力波。其能量損失的效應將改變地球的軌道，使之逐漸越來越接近太陽，最後撞到太陽上，以這種方式歸於最終不變的狀態。在地球和太陽的情形下能量損失率非常小——大約只能點燃一個小電熱器， 這意味着要用大約1千億億億年地球才會和太陽相撞，沒有必要立即去為之擔憂！地球軌道改變的過程極其緩慢，以至於根本觀測不到。但幾年以前，在稱為PSR1913+16（PSR表示「脈衝星」，一種特別的發射出無線電波規則脈衝的中子星）的系統中觀測到這一效應。此系統包含兩個互相圍繞着運動的中子星，由於引力波輻射，它們的能量損失，使之相互以螺旋線軌道靠近。
在恆星引力坍縮形成黑洞時，運動會更快得多，這樣能量被帶走的速率就高得多。所以不用太長的時間就會達到不變的狀態。人們會以為它將依賴於形成黑洞的恆星的所有的複雜特徵——不僅僅它的質量和轉動速度，而且恆星不同部分的不同密度以及恆星內氣體的複雜運動。如果黑洞就像坍縮形成它們的原先物體那樣變化多端，一般來講，對之作任何預言都將是非常困難的。
然而，加拿大科學家外奈·伊斯雷爾在1967年使黑洞研究發生了徹底的改變。他指出，根據廣義相對論，非旋轉的黑洞必須是非常簡單、完美的球形；其大小隻依賴於它們的質量，並且任何兩個這樣的同質量的黑洞必須是等同的。事實上，它們可以用愛因斯坦的特解來描述，這個解是在廣義相對論發現後不久的1917年卡爾·施瓦茲席爾德找到的。一開始，許多人（其中包括伊斯雷爾自己）認為，既然黑洞必須是完美的球形，一個黑洞只能由一個完美球形物體坍縮而形成。所以，任何實際的恆星從來都不是完美的球形只會坍縮形成一個裸奇點。
然而，對於伊斯雷爾的結果，一些人，特別是羅傑·彭羅斯和約翰·惠勒提倡一種不同的解釋。他們論證道，牽涉恆星坍縮的快速運動表明，其釋放出來的引力波使之越來越近於球形，到它終於靜態時，就變成準確的球形。按照這種觀點，任何非旋轉恆星，不管其形狀和內部結構如何複雜，在引力坍縮之後都將終結於一個完美的球形黑洞，其大小隻依賴於它的質量。這種觀點得到進一步的計算支持，並且很快就為大家所接受。
伊斯雷爾的結果只處理了由非旋轉物體形成的黑洞。1963年，新西蘭人羅伊·克爾找到了廣義相對論方程的描述旋轉黑洞的一族解。這些「克爾」黑洞以恆常速度旋轉，其大小與形狀只依賴於它們的質量和旋轉的速度。如果旋轉為零，黑洞就是完美的球形，這解就和施瓦茲席爾德解一樣。如果有旋轉，黑洞的赤道附近就鼓出去（正如地球或太陽由於旋轉而鼓出去一樣），而旋轉得越快則鼓得越多。由此人們猜測，如將伊斯雷爾的結果推廣到包括旋轉體的情形，則任何旋轉物體坍縮形成黑洞後，將最後終結於由克爾解描述的一個靜態。
黑洞是科學史上極為罕見的情形之一，在沒有任何觀測到的證據證明其理論是正確的情形下，作為數學的模型被發展到非常詳盡的地步。的確，這經常是反對黑洞的主要論據：怎麼能相信一個其依據只是基於令人懷疑的廣義相對論的計算的對象呢?然而，1963年，加利福尼亞的帕羅瑪天文台的天文學家馬丁·施密特測量了在稱為3C273（即是劍橋射電源編目第三類的273號）射電源方向的一個黯淡的類星體的紅移。他發現引力場不可能引起這麼大的紅移——如果它是引力紅移，這類星體必須具有如此大的質量，並離地球如此之近，以至於會干擾太陽系中的行星軌道。這暗示此紅移是由宇宙的膨脹引起的，進而表明此物體離地球非常遠。由於在這麼遠的距離還能被觀察到，它必須非常亮，也就是必須輻射出大量的能量。人們會想到，產生這麼大量能量的唯一機制看來不僅僅是一個恆星，而是一個星系的整個中心區域的引力坍縮。人們還發現了許多其他類星體，它們都有很大的紅移。但是它們都離開地球太遠了，所以對之進行觀察太困難，以至於不能。
看清黑洞磁場
科學家認為，黑洞引擎是由磁場驅動的。藉助事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope，EHT），天文學家在我們銀河系中心超大黑洞事件視界的外側探測到了磁場。發現在靠近黑洞的某些區域是混亂的，有着雜亂的磁圈和渦漩，就像攪在一起的意大利麵。相反，其他區域的磁場則有序得多，可能是物質噴流產生的區域。還發現，黑洞周邊的磁場在短至15分鐘的時間段內都會發生明顯變化。 [10]
理論修改
2015年3月，霍金對黑洞理論進行了修改，宣稱黑洞實際上是「灰色的」。新「灰洞」理論稱，物質和能量被黑洞困住一段時間後，又會被重新釋放到宇宙中。
2016年1月，霍金同物理學家馬爾科姆·佩里、安德魯·施特羅明格提出了新理論：讓信息「逃逸」的黑洞裂口由「柔軟的帶電毛髮」組成，它們是位於視界線上的光子和引力子組成的粒子，這些能量極低甚至為零的粒子能捕獲並存儲落入黑洞的粒子的信息。[2]
2017年12月7日，美國卡耐基科學研究所科學家發現有史以來最遙遠的超大質量黑洞，其質量是太陽的8億倍 [3] 。
黑洞照片
美國東部時間2019年4月10日9時（北京時間10日21時），在美國華盛頓、中國上海和台北、智利聖地亞哥、比利時布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京將同時召開新聞發布會，以英語、漢語、西班牙語、丹麥語和日語發布「事件視界望遠鏡」的第一項重大成果。[1]
恆星級黑洞
2019年11月28日凌晨，國際科學期刊《自然》發布了中國科學院國家天文台劉繼峰、張昊彤研究團隊的一項重大發現。依託我國自主研製的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST），研究團隊發現了一顆迄今為止質量最大的恆星級黑洞，並提供了一種利用LAMOST巡天優勢尋找黑洞的新方法。這顆70倍太陽質量的黑洞遠超理論預言的質量上限
質疑與爭論
一位美國理論物理學家經過數學計算得出結論——黑洞根本就不存在。相關論文分別發表在著名的預印本網站ArXiv和《物理快報B》雜誌上。
「得出這個結論後，即便我本人都感到十分震撼。」提出這一理論的美國北卡羅來納大學教堂山分校理論物理學教授勞拉·梅爾西尼—霍頓這樣描述自己的感受。她說：「科學家們研究這個問題已經超過了50年，而這個解決方案給了我們許多新的思考。」
1974年，霍金通過量子力學的方法得出結論：黑洞不僅能夠吸收黑洞外的物質，同樣也能以熱輻射的方式向外「吐出」物質。而這種量子力學現象，就被稱為霍金輻射。
物理學家組織網2014年9月25日（北京時間）報道稱，新研究中梅爾西尼—霍頓描述了一種全新的方案。她和霍金都同意，當恆星因自身的引力發生坍塌時會產生霍金輻射。但梅爾西尼—霍頓認為，發出這種輻射後，恆星的質量也會不斷地發生損失。正因為如此，當這些恆星坍縮時就不可能達到形成黑洞所必須的質量密度。她認為，垂死的恆星在發生最後一次膨脹後，就會爆炸，然後消亡，奇點永遠不會形成，黑洞視界也不會出現。根本就不會存在像黑洞這樣的東西。
其實早在今年年初，霍金就曾通過論文指出在經典理論中黑洞是不存在的，他承認自己最初有關視界的認識是有缺陷的，並提出了新的「灰洞」理論。該理論認為，物質和能量在被黑洞困住一段時間以後，又會被重新釋放到宇宙中。
黑洞這一定義在經過漫長的時間推測後，已經慢慢被人們所接受。然而霍金今年年初發文否認黑洞的存在，取而代之提出了「灰洞」理論，這在物理學界掀起了不小的波瀾。如今，梅爾西尼—霍頓直截了當地稱「根本就不會存在像黑洞這樣的東西」，這無疑成為又一枚重磅炸彈——儘管梅爾西尼—霍頓遠不及霍金出名。當然，想以一己之力推翻既有的理論並不那麼容易，需要更多有說服力的證據加以佐證。
吉尼斯世界紀錄
宇宙中密度最大的物體：黑洞是恆星的殘餘，它們以超新星的形式結束了自己的生命。它們的特徵是一個空間區域，在這個空間中重力非常強，甚至光都無法逃逸。這個區域的邊界被稱為視界，在黑洞的中心是奇點，死恆星的質量被壓縮到一個零大小和無限密度的單一點。正是這個奇點產生了黑洞強大的引力場。（吉尼斯世界紀錄）