黑洞詳解：它們如何形成、運作以及最終如何被拍攝

美國宇航局(NASA)將黑洞定義為一個具有極強引力的天體，強大到任何東西（包括光）都無法逃逸。黑洞周圍無法逃脫的點稱為事件視界：在這個邊界內，逃逸所需的速度超過光速，因此穿過它的任何東西都無法逃出。

黑洞如何形成

最易理解的途徑是恆星坍縮。根據美國宇航局，質量超過太陽約20倍的恆星最終會耗盡其核心的核燃料，並在自身重力作用下坍縮。這種坍縮會引發超新星爆炸，吹走恆星的外層。如果被壓縮的核殘餘物仍超過約三倍太陽質量，美國宇航局表示沒有已知力量能阻止坍縮繼續進行直至形成黑洞。

一旦形成，黑洞可以通過吸入周圍氣體、從伴星剝離物質或與另一個黑洞合併而增長，美國宇航局在其黑洞概述頁面上解釋道。

位於星系中心的超大質量黑洞質量從約10萬倍到數十億倍太陽質量不等，根據美國宇航局的說法，對這些黑洞的理解較少。美國宇航局指出它們的起源仍是一個懸而未決的問題，因為它們似乎從星系形成的最早階段就已存在。

事件視界、奇點和黑洞的各個部分

美國宇航局對黑洞「解剖學」的描述列出了幾個不同的區域。中心位置是奇點，即物質被壓縮到美國宇航局所稱的無窮大密度的點；科學家不確定這是一個物理結構還是方程的數學人工製品。圍繞它的是事件視界，即無法逃逸的邊界。更遠處，來自落入黑洞的物質的光可以在事件視界前多次繞黑洞運行，形成可見於黑洞直接成像中暗「影子」周圍的細環——美國宇航局稱之為光子球。

落向黑洞的物質通常在穿過事件視界前形成一個熱的、發光的吸積盤。在許多系統中，其中一些物質被重新導向進入以接近光速運行的粒子噴流；在超大質量黑洞中，這些噴流可以延伸幾十萬光年，美國宇航局表示。

證明黑洞存在：彭羅斯、根策爾和蓋茲

幾十年來，黑洞一直是愛因斯坦廣義相對論的數學結果，而不是確認的物理現實。瑞典皇家科學院向羅傑·彭羅斯頒發了2020年諾貝爾物理學獎的一半，其1965年的證明——在瑞典科學院自己的宣布中描述，由《科學日報》報導——表明黑洞形成是廣義相對論的一個穩健且不可避免的預測，一旦足夠大的、緊湊的天體坍縮，並且這種坍縮必然產生奇點。

該獎項的另一半由萊因哈德·根策爾和安德里亞·蓋茲共同獲得，他們各自領導一個團隊，使用世界上一些最大的望遠鏡追蹤銀河系中心恆星的軌道幾十年。他們的工作，也在《科學日報》報導的諾貝爾獎公告中總結，發現了一個看不見的物體，質量約四百萬倍太陽質量，集中在不大於太陽系的區域——這是現在已知為人馬座A*的超大質量黑洞的有力證據。

探測無法探測之物：重力波和直接成像

2015年9月14日，孿生高級LIGO探測器記錄了一個信號，標記為GW150914，與兩個黑洞螺旋靠近並合併的預測波形相符。根據LIGO科學合作組織自己的科學摘要，兩個黑洞的質量分別約為太陽的36倍和29倍，合併成單一黑洞，質量約為太陽的62倍，距地球超過10億光年；約三倍太陽質量的物質在瞬間轉化為重力波能量。該探測的統計顯著性超過5西格瑪，意味著該強度的假警報大約每20萬年出現一次相當的數據，LIGO報告說。

四年後，事件視界望遠鏡(EHT)合作組織發布了有史以來第一張黑洞影子的圖像，拍攝的是M87*，即梅西耶87星系中心的超大質量黑洞。如美國宇航局噴氣推進實驗室所解釋，EHT使用超長基線干涉測量法將全球各地的射電望遠鏡連接成單一虛擬儀器，實現的分辨率比哈勃太空望遠鏡高約4000倍。2017年4月進行的觀測活動（圖像於2019年發布）測得M87*質量約為太陽的65億倍，距地球約5300萬光年。

2022年5月12日，EHT合作組織發布了第二張里程碑式的圖像：人馬座A*，銀河系自己的中心黑洞。如AAS Nova所述，底層數據是在2017年4月記錄的，意味著觀測和圖像發布之間相隔五年多。人馬座A*的質量約為四百萬倍太陽質量，距地球約2.7萬光年——意味著它在天空中的視面大小大致與質量遠大得多且距離遠得多的M87*相同，因為M87*距離遠約2000倍，質量大約1500倍。根據AAS Nova，兩個黑洞測得的環和影子大小都符合廣義相對論的預測，給了天文學家對跨越不同黑洞質量範圍的愛因斯坦理論的獨立確認。

為什麼這對物理學很重要

這些結果中的每一個都在愛因斯坦無法直接觀測的體系中測試廣義相對論：極端重力下的物質和時空。根據LIGO的分析，GW150914的重力波信號符合廣義相對論對勾入、合併和隨後所產生黑洞「環鳴」的預測波形。根據AAS Nova，EHT對M87*和人馬座A*測得的環直徑同樣符合廣義相對論預測，給了科學家兩種獨立確認方法——重力波和直接成像——它們聚斂於相同的理論框架。