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黑洞如何形成以及為何它們是宇宙中最極端的天體

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The Event Horizon Telescope (EHT) — a planet-scale array of eight ground-based radio telescopes forged through international collaboration — was designed to capture images of a black hole . In coordinated press conferences across the globe, EHT researchers revealed that they succ
圖片: Event Horizon Telescope , uploader cropped and converted TIF to JPG · CC BY 4.0 · Wikimedia Commons

重點

黑洞主要在大質量恆星的核心在超新星爆炸後坍縮時形成，或者在宇宙最初時刻遺留下超密集的物質團塊時形成。美國航空航天局(NASA)和歐洲太空局(ESA)描述了四類黑洞——恆星級、中等質量、超大質量和原始黑洞——主要由質量定義。它們的決定性特徵是事件視界：一個邊界，超過這個邊界甚至光也無法逃逸。

此版本是原文（English）的機器翻譯。 閱讀原文

根據美國航空航天局(NASA)的說法，黑洞是空間中的一個區域，其中重力非常強大，以至於任何東西，甚至光，一旦越過稱為事件視界的邊界就無法逃逸。這個單一的特性——空間中的單向表面——使得這些物體成為物理學中已知的最極端環境，而不是它們的可見大小。

黑洞如何形成

最容易理解的形成途徑是恆星坍縮。美國航空航天局(NASA)解釋說，質量超過太陽質量約20倍的恆星最終會耗盡其核燃料；核心會向內坍縮，外層則在超新星爆炸中被拋出。如果剩餘的被擠壓的核心仍保有超過約3倍太陽質量，美國航空航天局(NASA)表示沒有已知的力量能阻止該核心坍縮成黑洞。

歐洲太空局(ESA)描述了相同的機制：一旦超過該質量閾值的恆星核心被壓縮成足夠小的體積，其自身的重力就會壓倒所有其他物理力，物體將繼續收縮直到光線無法再逃逸。根據美國航空航天局(NASA)的說法，黑洞之後可以通過吸入周圍氣體而繼續增長，這個過程稱為吸積。歐洲太空局(ESA)指出，單靠吸積很難解釋某些超大質量黑洞如何在宇宙歷史的早期增長得這麼大，這是科學家研究中等質量黑洞作為可能的缺失環節的原因之一。

一個獨立的、尚未完全確定的想法涉及宇宙最早的時刻。一些理論提出，原始黑洞可能直接從大爆炸後不久的極端條件下形成，不涉及任何恆星。歐洲太空局(ESA)表示其Euclid任務可能有助於測試這類物體是否存在，以及它們是否可能佔宇宙暗物質的一部分。

四大類別，按質量定義

美國航空航天局(NASA)和歐洲太空局(ESA)主要根據黑洞所含的質量將其分組為不同類別，因為質量決定了大小、重力強度和形成途徑。

黑洞類別按質量(NASA, ESA)
類別典型質量(太陽質量)推測形成方式
恆星級約3至數十倍超新星後大質量恆星核心的坍縮
中等質量約100至10,000+倍根據NASA，在某些情況下被懷疑但很少直接確認
超大質量100,000至數十億倍起源尚未完全理解；根據NASA和ESA，被認為與宿主星系一起增長
原始(假設)範圍寬泛，未確認推測起源於早期宇宙；根據ESA，正在被ESA的Euclid任務研究作為可能的暗物質候選物

什麼使它們極端

事件視界是將黑洞區分開的特徵。美國航空航天局(NASA)將其描述為逃逸速度超過光速所需的點，因此任何東西——包括光本身——都無法向外穿越。由於沒有光逃逸，黑洞本身不發光；天文學家檢測到的是這個邊界外的物質發出的光芒。

根據美國航空航天局(NASA)對黑洞結構的描述，那光芒來自吸積盤，材料來自附近的恆星或氣體雲，向內螺旋運動，當接近事件視界時升溫。在積極進食的超大質量黑洞周圍，這個區域——稱為日冕——達到約十億度的溫度，並產生高能X射線，粒子以接近光速的速度運動。

根據美國航空航天局(NASA)的說法，在最中心，廣義相對論預測一個奇點，即物質被壓縮到無限密度的一點。它被描述為任何越過事件視界的東西的最終目的地，儘管物理學家指出這是當前引力理論崩潰的地方，而不是對那裡實際發生的事情的充分測試的描述。

直接觀察黑洞

由於黑洞不發出自身的光，天文學家無法直接拍攝它們——他們對黑洞在周圍發光氣體上投射的陰影進行成像。根據歐洲南方天文臺(ESO)的說法，事件視界望遠鏡(EHT)是一個通過稱為甚長基線干涉測量法的技術連接起來的全球射電天文臺網絡，它在2019年首次拍攝了超大質量黑洞M87*的圖像，並在2022年拍攝了人馬座A*（銀河系中心黑洞）的圖像。歐洲南方天文臺(ESO)是EHT合作的夥伴。

歐洲南方天文臺(ESO)指出，人馬座A*的質量約為太陽質量的400萬倍，距地球約27,000光年，但從我們的視角看，歐洲南方天文臺(ESO)描述它看起來大小不超過放在月球表面的甜甜圈。美國航空航天局(NASA)另外報告稱，由EHT在2019年拍攝的M87*擁有超過60億倍太陽質量，其事件視界美國航空航天局(NASA)表示將遠遠超越太陽系的行星。

人類首次獲得銀河系中心黑洞的直接視覺證據。

— 事件視界望遠鏡合作組織，經由ESO

歐洲南方天文臺(ESO)指出，這樣的圖像使科學家能夠直接探測黑洞邊界處時空的行為，這是在可觀測的最極端重力條件下測試廣義相對論的一種方式。

常見問題

從恆星形成黑洞所需的最小質量是多少？
根據美國航空航天局(NASA)的說法，如果坍縮的恆星核心在超新星爆炸後保留了超過太陽質量約3倍的物質，沒有已知的力量能阻止它坍縮成黑洞。
我們真的能看到黑洞嗎？
不能直接看到，因為沒有光能從黑洞逃逸。根據ESO，望遠鏡改為成像發光的氣體和黑洞投射的黑暗陰影，如事件視界望遠鏡在2019年對M87*和2022年對人馬座A*所做的那樣。
有多少種類型的黑洞？
美國航空航天局(NASA)和歐洲太空局(ESA)根據質量描述了四個類別：恆星級、中等質量、超大質量，以及推測起源於早期宇宙的假設性原始黑洞。
銀河系中心的黑洞有多大質量？
歐洲南方天文臺(ESO)報告說人馬座A*的質量約為太陽質量的400萬倍，距地球大約27,000光年。
黑洞的中心是什麼？
根據美國航空航天局(NASA)的說法，廣義相對論預測了一個奇點，即無限密度的一點，儘管這是當前物理理論尚未充分測試的地方。

來源

  1. NASA Science — What Are Black Holes?
  2. NASA Science — Black Hole Anatomy
  3. ESA — Black holes
  4. ESO — EHT Press Conference: Sagittarius A*

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