黑洞如何形成、它們是什麼，以及它們對宇宙揭示了什麼

美國國家航空航天局（NASA）將黑洞定義為時空的一個區域，其中的引力強大到足以使任何物質（包括光線）無法逃脫，一旦越過稱為事件視界的邊界。由於沒有光線能逃脫，黑洞本身無法被直接觀測；科學家透過黑洞對周圍物質的引力作用，以及自2019年起透過對其周圍發光物質的直接觀測，來推斷黑洞的存在。

黑洞如何形成

根據美國國家航空航天局（NASA），恆星通過其核心的核融合產生能量，該能量產生的向外壓力與恆星自身引力的向內拉力達到平衡。當一顆質量超過太陽20倍的恆星耗盡其核燃料時，這種平衡被打破。核心在其自身的重力下坍塌，引發超新星爆炸，爆炸將恆星的外層物質噴射出去。美國國家航空航天局表示，如果剩餘的核心質量超過約三個太陽質量，它會繼續坍塌成恆星級黑洞。

並非每顆坍塌的恆星都會產生黑洞。根據美國國家航空航天局對恆星演化的描述，質量低於約三個太陽質量的核心通常會變成中子星。一旦黑洞存在，它可以透過吸收氣體、塵埃，甚至其他靠得太近的恆星或黑洞來進一步增長。

三種主要類型

美國國家航空航天局根據質量將黑洞分為三大類。恆星級黑洞的質量約為三到幾十個太陽質量，分散在銀河系各處，由坍塌的巨大恆星形成。中介質量黑洞的質量大約為100到超過10,000個太陽質量，較為罕見且更難以確認；美國國家航空航天局引用了在2019年確認的最令人信服的一個例子。超大質量黑洞的質量從100,000到數十億個太陽質量不等，位於大多數大型星系（包括銀河系）的中心。

看不見的東西：直接觀測影像

因為光線無法逃脫黑洞，天文學家無法拍攝黑洞本身。相反，事件視界望遠鏡（EHT）——根據美國國家科學基金會（NSF）的說法，它是由全球無線電望遠鏡網絡組成的、作為一個地球大小的儀器——可以對黑洞事件視界外圍周圍漩渦狀發光氣體進行觀測。2019年4月10日，事件視界望遠鏡協作組發佈了第一張這樣的影像，拍攝的是位於M87星系中心的超大質量黑洞，距地球約5,500萬光年，質量約為65億個太陽質量，這是根據國家科學基金會的總結。

2022年5月12日，事件視界望遠鏡協作組發佈了第二張影像，這次是人馬座A*，我們銀河系中心的超大質量黑洞。美國國家科學基金會將其描述為該天體的第一個直接視覺證據，質量約為太陽質量的400萬倍。cosmoquest.org網站上的研究總結類似地將其質量設定為大約400萬個太陽質量，距地球的距離約為27,000光年。這兩張影像都顯示出相同的特徵：一個暗淡的中央陰影，周圍被明亮的、由極熱旋轉氣體產生的透鏡光所包圍。

時空中的漣漪：引力波

獨立的證據來自引力波——由阿爾伯特·愛因斯坦在1915年的廣義相對論中預測的時空漣漪。根據激光干涉儀引力波天文台（LIGO）的科學總結，2015年9月14日，位於華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓的雙激光干涉儀引力波探測器註冊了一個信號，標記為GW150914。該信號來自兩個黑洞的合併，它們的質量分別約為36和29倍太陽質量，合併成了一個約62個太陽質量的黑洞。激光干涉儀引力波天文台表示，缺失的三個太陽質量被以引力波能量的形式輻射出去，這個事件發生在距離我們10多億光年遠的地方。

激光干涉儀引力波天文台報告說，該探測達到了超過5西格瑪的統計顯著性，這意味著在大約200,000年的可比較數據中，才會期望有一次這樣強度的誤警。觀測到的波形與廣義相對論的預測相符，為物理學家提供了一種研究黑洞的新方法，該方法完全不依賴光線。

黑洞對宇宙揭示了什麼

美國國家航空航天局對黑洞結構的描述確定了三個關鍵區域：事件視界，是逃逸速度超過光速的不歸點；吸積盤，是漩渦狀物質，其輻射使天文學家能夠探測到否則看不見的黑洞；以及核心的奇點，在該處物質被壓縮到極端密度，當前物理學（包括廣義相對論）預計會失效。美國國家航空航天局指出，這是量子效應被認為變得重要的地方，這意味著黑洞標誌了相對論和量子力學最終必須相遇的前沿。

因為黑洞彎曲光線、扭曲時間並錨定星系的結構，黑洞充當自然實驗室。來自直接觀測和引力波探測器的觀測為科學家提供了兩種獨立的方式來測試在宇宙中已知的最極端條件下，引力的行為是否與愛因斯坦的理論所預測的一致。