NASAによると、ブラックホールは重力が強い宇宙の領域として定義されており、イベントホライゾンと呼ばれる境界を超えると、光を含む何ものも脱出できません。光が逃げられないため、ブラックホール自体は直接観察することはできません。その存在は周囲の物質に対する重力効果から推測され、2019年以来、その周囲の輝く物質の直接画像からも明らかにされています。
ブラックホールがどのように形成されるか
NASAによると、星はコアでの核融合によってエネルギーを生成し、そのエネルギーからの外向きの圧力が、星自身の重力による内向きの引力とバランスしています。太陽の質量の20倍以上の星が核燃料を使い果たすと、そのバランスが崩れます。コアはその自身の重力で崩壊し、星の外層を吹き飛ばす超新星爆発を引き起こします。残されたコアが約3太陽質量を超える場合、NASAはそれが恒星質量ブラックホールへの崩壊を続けると述べています。
すべての崩壊する星がブラックホールを生成するわけではありません。NASAの恒星進化の説明によると、約3太陽質量以下のコアは通常、代わりに中性子星になります。ブラックホールが一度存在すると、ガス、塵、さらには近すぎる他の星やブラックホールを引き込むことで、さらに成長することができます。
3つの主なタイプ
NASAはブラックホールを質量によって3つの大きなカテゴリーに分類しています。恒星質量ブラックホール（約3から数十太陽質量）は銀河系全体に散在し、崩壊した巨大な星から形成されます。中間質量ブラックホール（約100から10,000太陽質量以上）はより希少で確認が難しく、NASAは2019年に特定された最も説得力のある例の1つを引用しています。超大質量ブラックホール（100,000から数十億太陽質量）は銀河系を含むほとんどの大きな銀河の中心に位置しています。
質量別ブラックホールのタイプ（NASA）| タイプ | 典型的な質量 | 位置 |
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| 恒星質量 | 3から数十太陽質量 | 銀河系全体 |
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| 中間質量 | 100から10,000太陽質量以上 | 希少、確認された例は限定的 |
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| 超大質量 | 100,000から数十億太陽質量 | 大きな銀河の中心 |
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見えないものを見る：直接画像
光がブラックホールから逃げられないため、天文学者はその物体自体を撮影することはできません。代わりに、イベントホライゾン望遠鏡（EHT）—米国科学財団（NSF）によると、地球サイズの計器として機能する世界規模の電波望遠鏡ネットワーク—はブラックホールのイベントホライゾンのすぐ外側で渦巻く輝くガスを画像化します。2019年4月10日、EHT協力により、銀河M87の中心にある超大質量ブラックホールの最初の画像が発表されました。NSF要約によると、地球から約5,500万光年離れており、約65億太陽質量です。
2022年5月12日、EHT協力により、いて座A*（私たちの銀河系の中心にある超大質量ブラックホール）の2番目の画像が発表されました。NSFはこれをそのオブジェクトの最初の直接視覚的証拠と説明しており、質量はNSFが示す値で太陽の質量のおよそ400万倍です。cosmoquest.orgの調査結果の要約も同様に、その質量をおよそ400万太陽質量、地球からの距離をおよそ27,000光年と記載しています。両方の画像は同じ特徴を示しています：暗い中央の影が、極度に加熱された軌道ガスからの明るく、レンズ効果を受けた光に囲まれています。
時空の波紋：重力波
証拠のもう一つの系統は、重力波—アルベルト・アインシュタインの1915年の一般相対性理論で予測された時空の波紋—から来ています。2015年9月14日、ワシントン州ハンフォードとルイジアナ州リビングストンのツインレーザー干渉計重力波観測所（LIGO）検出器は、LIGO科学要約によると、GW150914と指定された信号を検出しました。その信号は、太陽の質量の約36倍と約29倍の質量を持つ2つのブラックホールの合併から来ており、約62太陽質量の単一のブラックホールに合併しました。LIGOによると、不足している3太陽質量は、10億光年以上離れたイベントから、重力波エネルギーとして放射されました。
LIGOは、検出が5シグマ以上の統計的有意性に達したと報告しています。これは、その強度の偽の警報が、比較可能なデータの約200,000年で1回だけ予期されることを意味します。観測された波形は一般相対性理論からの予測と一致し、物理学者に、まったく光に依存しないブラックホール研究の新しい方法を与えました。
ブラックホールが宇宙について明かすもの
NASAのブラックホール解剖学の説明は、3つの主要なゾーンを特定しています：脱出速度が光の速度を超える進入不可能なポイントであるイベントホライゾン。天文学者が目に見えないブラックホールを検出するようにしてくれる放射線を放つ降着円盤。そしてコアの特異点—物質が極端な密度に圧縮される場所であり、一般相対性理論を含む現在の物理学が機能しなくなると予想されます。NASAは、ここが量子効果が重要になると考えられている場所であることに注目し、ブラックホールは相対性理論と量子力学が最終的に統一されなければならない領域をマークしていることを意味しています。
光を曲げ、時間をゆがめ、銀河の構造を支える因子として、ブラックホールは自然の研究室として機能します。直接画像と重力波検出器からの観察は、科学者に、重力が宇宙で知られている最も極端な条件下でアインシュタインの理論の予測通りに振る舞うかどうかをテストするための2つの独立した方法を与えています。
LIGOは、ブラックホール合併の最後の瞬間中に放射された最高重力波電力が、観測可能な宇宙のすべての星と銀河からの結合光電力の10倍以上であったと推定しました。
— LIGO科学要約、GW150914
