黑洞如何形成、它们是什么以及它们如何揭示宇宙

美国航空航天局(NASA)将黑洞定义为一个空间区域，其重力强大到任何东西，包括光线，一旦越过称为事件视界的边界就无法逃脱。由于没有光线逃逸，黑洞本身无法被直接看到；其存在是从它们对附近物质的引力效应推断出来的，自2019年以来，也可以通过周围发光物质的直接图像推断。

黑洞如何形成

根据NASA，恒星通过其核心的核聚变产生能量，该能量产生的向外压力平衡了恒星自身引力的向内拉力。当一颗质量超过太阳20倍的恒星耗尽核燃料时，这种平衡破裂。核心在自身重量下坍缩，引发超新星爆炸，炸毁恒星的外层。如果剩余的核心超过大约三个太阳质量，NASA指出它将继续坍缩成一个恒星质量黑洞。

并不是每颗坍缩的恒星都会产生黑洞。根据NASA对恒星演化的描述，质量低于约三个太阳质量的核心通常会变成中子星。一旦黑洞存在，它可以通过吸引气体、尘埃，甚至偶然靠近的其他恒星或黑洞来进一步增长。

三种主要类型

NASA按质量将黑洞分为三大类。恒星质量黑洞的质量从大约三个到几十个太阳质量不等，分散在整个银河系中，由坍缩的大质量恒星形成。中等质量黑洞的质量约为100到10,000多个太阳质量，较为罕见且更难确认；NASA引用了2019年确认的最有说服力的例子之一。超大质量黑洞的质量从100,000到数十亿个太阳质量不等，位于大多数大星系的中心，包括银河系。

看不见的事物：直接图像

由于光线无法从黑洞逃逸，天文学家无法对物体本身进行拍照。相反，事件视界望远镜(EHT)——根据美国国家科学基金会(NSF)的说法，是一个充当地球大小仪器的全球射电望远镜网络——对围绕黑洞在其事件视界外旋转的发光气体进行成像。2019年4月10日，EHT合作项目发布了第一张这样的图像，展现了位于M87星系中心的超大质量黑洞，距地球约5500万光年，质量约为65亿太阳质量，根据NSF总结。

2022年5月12日，EHT合作项目发布了第二张图像，这次是人马座A*，我们银河系中心的超大质量黑洞。NSF将其描述为该物体的首次直接视觉证据，NSF给出的质量大约是太阳质量的400万倍。cosmoquest.org上的研究总结同样给出其质量约为400万个太阳质量，距地球距离约为27,000光年。两张图像都显示相同的特征：一个被明亮的透镜光线包围的黑暗中央阴影，这些透镜光线来自过热的环绕气体。

时空涟漪：引力波

另一条证据来自引力波——由爱因斯坦在1915年的广义相对论预测的时空涟漪。2015年9月14日，根据LIGO科学总结，位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的双激光干涉仪引力波天文台(LIGO)探测器注册了一个标记为GW150914的信号。该信号来自两个黑洞的并合，其质量分别约为太阳质量的36倍和29倍，合并为一个约62个太阳质量的单个黑洞。LIGO指出，在这个距离超过十亿光年的事件中，缺失的三个太阳质量以引力波能量的形式被辐射出去。

LIGO报告称，检测达到了超过五西格玛的统计显著性，意味着在大约200,000年的可比数据中，只能期望发生一次这样强度的虚警。观测到的波形与广义相对论的预测相符，为物理学家提供了一种研究黑洞的新方法，该方法完全不依赖于光。

黑洞如何揭示宇宙

NASA对黑洞解剖学的描述确定了三个关键区域：事件视界，是无法返回的临界点，其中逃逸速度超过光速；吸积盘，是螺旋运动的物质，其辐射使天文学家能够检测到原本不可见的黑洞；以及核心的奇点，物质被压缩到极端密度，包括广义相对论在内的当前物理学预计会在此失效。NASA指出，这是量子效应被认为变得重要的地方，意味着黑洞标志着相对论和量子力学最终必须相遇的前沿。

由于黑洞弯曲光线、扭曲时间并锚定星系结构，黑洞充当自然实验室。来自直接成像和引力波探测器的观测为科学家提供了两种独立的方式来检验在宇宙中已知的最极端条件下，重力是否按照爱因斯坦理论的预测行为。