黑洞解讀：它們如何形成以及天文學家如何探測它們

黑洞以多種方式形成，天文學家根據質量而不是單一起源將它們分類為不同的大小等級。

黑洞如何形成

最容易理解的途徑是恆星的死亡。根據美國航空航天局的「想象宇宙」項目，恆星質量黑洞是在一顆大質量恆星用盡核燃料並其核心在自身重力下崩潰時形成的，這個過程可能伴隨著超新星爆炸。美國航空航天局指出，這些恆星質量黑洞的質量通常約為太陽質量的5至20倍，分散在各個星系中，無論大質量恆星曾經生存和死亡的地方。

在另一端是超大質量黑洞，存在於幾乎每個大星系的中心，其質量範圍從太陽質量的數百萬倍至數十億倍不等，據美國航空航天局稱。美國航空航天局稱，這些巨型黑洞究竟如何形成和增長仍是一個活躍的研究領域，儘管觀測表明星系中心黑洞的大小與星系本身的大小之間存在相關性。

美國航空航天局還描述了一個提議的中間類別，其質量介於恆星和超大質量範圍之間。該機構指出，天文學家最近才開始尋找到中等質量黑洞的可能證據，因為許多早期候選對象後來被發現是由其他物理過程解釋的。

天文學家如何探測不發射光的物體

黑洞本身無法被看到，因為它不發出自己的光。美國航空航天局的「想象宇宙」頁面解釋說，天文學家依賴於間接探測：他們尋找附近物體的行為，這些行為只能通過存在非常大、密集的隱形質量來解釋。這包括被吸入並加熱成發光吸積盤的物質，或者圍繞看不見恆星的一點明顯環繞的恆星。

對這種間接證據進行成像的一種方法是射電干涉測量法。事件視界望遠鏡（EHT）使用一種稱為甚長基線干涉測量法（VLBI）的技術連接全球各地的射電觀測站，正如物理科普網站Einstein-Online所解釋的那樣，它將來自多個望遠鏡的同時觀測結合成相當於一個地球大小的單個望遠鏡的數據。黑洞不會直接出現；EHT記錄的是來自吸積盤中熱的、旋轉氣體的射電輻射，以及一個暗的中心區域——黑洞的「影子」——是由於光在極端重力下圍繞該物體彎曲而產生的。

第一張影像：M87

根據MIT新聞的報道，2019年4月10日，EHT合作組織發布了以這種方式構建的有史以來第一張影像，顯示了位於距地球約5,500萬光年遠處的星系M87中心的超大質量黑洞。MIT新聞報道稱該天體的質量約為太陽質量的65億倍，所成像的事件視界跨度剛好不足400億公里。該觀測活動結合了八個地面射電觀測站，涉及全球200多名研究人員。

聆聽黑洞：重力波

另一種探測方法根本不使用光。根據MIT新聞，2015年9月14日美國東部夏令時凌晨5點51分，激光干涉儀重力波天文台（LIGO）首次直接探測到重力波——愛因斯坦廣義相對論預測的時空漣漪。該信號來自兩個黑洞，每個黑洞的質量約為太陽質量的30倍，在大約13億光年遠處合併。根據MIT的報告，這次碰撞將相當於三個太陽質量的能量轉化為重力波，短暫地輻射出比可見宇宙中所有光更多的能量。LIGO位於路易斯安那州和華盛頓州的雙4公里激光探測器測量到的臂長變化小於質子直徑的萬分之一才能登記該信號。

此後，LIGO加入了位於義大利的Virgo探測器和位於日本的KAGRA，形成了LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）合作組織。根據加州理工學院的報告，該組織自2015年以來記錄了大約300次黑洞合併，其中包括在第四個觀測周期中單獨錄製的200多次。根據加州理工學院的報告，2023年11月，該合作組織觀測到迄今為止由重力波記錄的最大質量黑洞的合併，這是一次被指定為GW231123的事件，涉及質量分別約為100和140個太陽質量的物體合併成質量約為225個太陽質量的黑洞。

一目了然的關鍵事實

綜合這兩種方法——用射電干涉測量法對黑洞周圍的發光物質進行成像，以及監聽兩個黑洞螺旋合併時的重力波「聲音」——為天文學家提供了獨立、互補的方式來確認一個物體是黑洞並測量其質量，儘管黑洞本身永遠不會發出任何可以直接看到的東西。