黑洞（English name black   hole）是廣義相對論預言的時空曲率快于光速的天體。它的基本特征是具有封閉的視界外來物質(zhì)和輻射可以進入視界，但視界中的物質(zhì)卻跑不出視界。它由位于其中心的奇點和奇點周圍一定范圍內(nèi)的時空區(qū)域組成。1916年，德國科學家卡爾?史瓦西通過愛因斯坦場方程。2019年，人類獲得了第一張黑洞照片。

黑洞是宇宙中一個奇怪的地方、神秘的風景，我們越能 我們越是看不到它，就越想知道它長什么樣。探索未知是人類生存和進步的動力，也推動人類向更高級更文明的方向發(fā)展。了解黑洞有助于我們探索時空的起源、推測宇宙的未來；也有利于增強人類面對生存挑戰(zhàn)的能力，降低太空探索的風險；同時，黑洞吸引更多的人加入到天文研究中來；物理研究也獲得了很多新的啟發(fā)。種種跡象表明，黑洞可能是科學家統(tǒng)一廣義相對論和量子論的向?qū)?，從而推動人類科學的進一步發(fā)展。

物質(zhì)告訴時空如何彎曲，時空告訴物質(zhì)如何移動。黑洞會彎曲時空并捕獲周圍的物質(zhì)時空也允許黑洞在廣義相對論的規(guī)則下存在和運動。它們或大或小，或輕或重，滿天都是?，F(xiàn)在只能看到它的外圍，里面是什么，最大的藏在哪里，它們吞多少就夠了關于黑洞的種種謎團，依然等待著人類去解開。在探索黑洞的道路上，有你，有我，有跨界的科學合作，有人類共同的追求和堅持。

在廣義相對論下，黑洞具有極小的物理特征，僅以質(zhì)量來衡量、角動量和電荷的唯一確定。隨著量子理論的滲透，它又呈現(xiàn)出熵、溫度等豐富的物理屬性。黑洞”名字是美國科學家約翰·惠勒在一次學術會議上給出的。它是由一顆質(zhì)量足夠大的恒星在演化末期坍縮形成的，恒星通過吸積增長，隨著量子輻射蒸發(fā)。雖然黑洞表面的逃逸速度快于光速，其表面無法發(fā)出任何光，但人類仍然可以通過黑洞吸積和噴流輻射的X射線知道其存在信息。奇點和視界是黑洞結(jié)構的共同特征。黑洞的預言是廣義相對論理論研究的一大成就；黑洞無毛定理的誕生為黑洞的理論研究提供了最簡單的模型；通過黑洞的透鏡效應，人們不僅看到相似的“日珥”這樣的太空奇觀也能揭示黑洞背后的星空。

200多年來，無數(shù)科學家在探索黑洞的道路上留下了足跡?，F(xiàn)在人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多大小不一的黑洞，了解了黑洞的很多方面科學家也做過兩次“捕獲”拍攝了黑洞的照片，結(jié)合黑洞探測到了引力波。引力波的發(fā)現(xiàn)為人類探索黑洞和整個宇宙提供了新的媒介。

早在200多年前，人類就已經(jīng)意識到黑洞的存在。

1783年，劍橋大學的教師約翰，·米歇爾預言了一場超級大規(guī)模的、逃逸速度超過光速“暗星”1796年，法國科學家拉普拉斯也在他的《宇宙系統(tǒng)論》中表達了同樣的推論，并稱之為“暗星”或“隱星”這些預測通常被認為是黑洞概念的萌芽。

愛因斯坦 s廣義相對論誕生于1915年，為進一步探索黑洞提供了重要的理論基礎。

1916年初德國科學家卡爾·史華茲通過計算證明了宇宙中存在這樣一種極其致密的物質(zhì)、一個周圍時空極度彎曲的天體，光和任何其他物體都可以 一旦它們進入它周圍的界面，就無法逃脫。從某種意義上說，這可以算是廣義相對論對黑洞最早的預測

1919年，前往西非的英國探險隊觀測到日食時光線經(jīng)過太陽附近時會發(fā)生輕微偏轉(zhuǎn)，這是時空彎曲的直接證據(jù)，愛因斯坦 他的廣義相對論得到了廣泛的證實。因此，研究黑洞的理論變得更加完善。

1928年，印度裔美國物理學家蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡已經(jīng)被計算和確認“錢德拉塞卡極限”1939年，美國物理學家奧本海默追隨錢德拉塞卡的腳步，發(fā)現(xiàn)中子星也有質(zhì)量上限，即“奧本海默極限”如果大質(zhì)量恒星殘骸的質(zhì)量超過奧本海默 s極限，最終必然會形成黑洞。1963年，新西蘭物理學家羅伊·克爾得到了愛因斯坦 s引力場方程可以描述不帶電的旋轉(zhuǎn)恒星，而克爾黑洞就是由這樣的恒星坍縮形成的。1964年，一些科學家通過觀測發(fā)現(xiàn)了第一個恒星黑洞。1965年，紐曼等人獲得了愛因斯坦 s場方程-紐曼黑洞的精確解。

1967年劍橋大學女研究生喬斯林·貝爾發(fā)現(xiàn)了中子星，這是證明中子星存在的第一個確鑿證據(jù)。中子星的存在從假設變成了現(xiàn)實，這給相信黑洞存在的科學家?guī)砹诉M一步的鼓舞。同年，美國物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒在一次學術會議上首次使用了它“黑洞”這個術語被大家廣泛接受。

1970年，英國數(shù)學物理學家羅杰·彭羅斯和霍金聯(lián)合發(fā)表了一篇題為“宇宙學中的引力坍縮和奇點”的論文，提出了“霍金-彭羅斯奇點定理”

1971年，英國物理學家霍金證明了黑洞物理學的一個重要定理“黑洞視界面積不減定理“后來，以色列青年雅各布·在黑洞面積永不減少的理論基礎上，Beckenstein提出了黑洞熵的概念。1974年，霍金發(fā)現(xiàn)了黑洞的量子輻射，即霍金輻射。

2016年2月11日，美國LIGO項目科學家宣布，人類首次直接探測到引力波，由美國兩臺激光干涉引力波天文臺于2015年9月14日同時探測到這是黑洞存在的毋庸置疑的證明，人類會用最直接的方式觀測黑洞。

2019年4月10日，視覺望遠鏡團隊在美國華盛頓、比利時布魯塞爾、智力圣地亞哥、中國上海、中國臺北和日本東京同時發(fā)布了人類有史以來第一張同步拍攝的黑洞照片。

2019年11月，中國科學家在郭守敬望遠鏡的幫助下，發(fā)現(xiàn)了一個質(zhì)量為太陽70倍的恒星級黑洞。

2022年5月12日，地平線望遠鏡合作組織EHT發(fā)布了銀河系中心的一個黑洞，——人馬座a*的直接圖像。它的質(zhì)量大約是太陽的400萬倍，大約是2.6萬光年。

2023年1月19日，我國科學家使用郭守敬望遠鏡（LAMOST）發(fā)現(xiàn)恒星的初始質(zhì)量分布規(guī)律會隨著金屬元素含量和恒星年齡的變化而發(fā)生顯著變化，刷新了對恒星初始質(zhì)量分布規(guī)律的傳統(tǒng)認知，將對天體物理諸多領域的研究產(chǎn)生影響，為黑洞研究增添了新的思路。

2023年3月30日，美國科學家利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡發(fā)現(xiàn)了已知的最老的黑洞，它是5.這個發(fā)現(xiàn)形成于7億年前，可以像黑洞一樣幫助人們了解宇宙“怪獸”的起源和演變。

探索黑洞的過程將開啟新的篇章，世界各國科學家的協(xié)作正在逐步解開黑洞之謎。

引力坍縮

黑洞的過程就是恒星衰變的過程。當質(zhì)量大于太陽3時.當一顆恒星的年齡是它的兩倍時，它的中心產(chǎn)生的能量越來越少，它也不會我沒有足夠的力量來承受炮彈的重量在自身重力的作用下，堆芯迅速收縮，當堆芯中的所有物質(zhì)都變成中子時，就被壓縮成接近無窮大的致密體積、密度幾乎無限大的恒星。當核心的質(zhì)量大到收縮過程無休止地進行下去時，中子本身就被壓成粉末，剩下的就是密度難以想象的物質(zhì)。由于質(zhì)量產(chǎn)生的力，任何靠近它的東西都會被它吸進去，包括光。

我們也可以從化學的角度來理解這個過程。通常，一顆正常的恒星最初只含有氫，恒星內(nèi)部的氫核時刻相互碰撞并聚變。由于恒星質(zhì)量巨大，聚變產(chǎn)生的能量與恒星的引力競爭，維持恒星結(jié)構的穩(wěn)定。氫核融合產(chǎn)生新元素——氦，然后氦原子也參與融合，改變結(jié)構，生成鋰。以此類推，按照元素周期表的順序，依次會有鈹、硼元素、碳元素、氮氣等直到鐵生成，恒星將會坍縮。這是因為鐵元素相當穩(wěn)定，參與聚變時釋放的能量小于所需能量，所以聚變停止，鐵元素存在于恒星中，導致恒星中缺乏足夠的能量和質(zhì)量與巨大恒星的引力相抗衡，從而導致恒星坍縮，最終形成黑洞。

此外，兩個黑洞相互碰撞產(chǎn)生一個新的黑洞；最初的黑洞遠在恒星誕生之前、它在大爆炸后不久就存在了。

高能碰撞

人類可以 t研究真正的黑洞，但是人類研制的大型強子對撞機為人造黑洞創(chuàng)造了條件。大型強子對撞機LHC是一種加速質(zhì)子碰撞的高能設備。當兩束質(zhì)子束在環(huán)形隧道中向相反方向運動時，強大的電場使它們的能量急劇增加，每運行一次就會獲得更多的能量，直到在接近光速時發(fā)生碰撞。高能碰撞可以產(chǎn)生微型黑洞，很快就會因為失去能量而蒸發(fā)消失，不足以對人類安全構成威脅。但是一些科學家仍然認為它 這很危險。

吸積成長

黑洞通過自身強大的引力從周圍空間捕獲氣體、灰塵和其他物質(zhì)使自身重量增加，這個過程叫做吸積。在附近的宇宙中，小黑洞主要通過吸積增長，非常大的黑洞主要通過合并增長兩個黑洞可以相互融合，形成一個更大的黑洞。相反，在遙遠的宇宙中，小黑洞主要通過合并來增長，而大黑洞則通過吸積來增長。

年輕的黑洞通過周圍物質(zhì)的不斷吸積或與另一個黑洞的合并而成長發(fā)展，但黑洞和恒星一樣，不會永生，無法避免衰落的命運。

蒸發(fā)

根據(jù)量子理論，真空并非一無所有，而是不斷產(chǎn)生正負粒子的虛對。它們被重復生產(chǎn)、湮滅的過程就像潮水的漲落一樣，有漲有落，這就是所謂的”真空漲落”霍金認為，如果這種波動發(fā)生在黑洞周圍，那么一對正負粒子中的一個落入黑洞，另一個成功逃離黑洞，飛向遠方，這將是不可避免的。如果一個反粒子被吸進黑洞，可以看作是一個正粒子從黑洞中逃逸出來。正粒子帶著正能量逃離黑洞，也就是黑洞的總能量減少了。能量的損失導致質(zhì)量的損失當黑洞失去質(zhì)量時，其溫度和發(fā)射率增加，質(zhì)量損失會更快。這是1974年出生的“霍金輻射”最后，所有的黑洞都會隨著時間的推移慢慢蒸發(fā)。大黑洞輻射速度慢，小黑洞輻射能量速度非常快，直到爆炸。

質(zhì)量

穩(wěn)態(tài)黑洞的初始質(zhì)量來自產(chǎn)生它的恒星，或者合并前的黑洞。在廣義相對論下，質(zhì)量或能量的分布決定了時空的性質(zhì)并導致其彎曲。黑洞的質(zhì)量集中在一個體積無限大密度無限大的奇點，其產(chǎn)生的時空曲率超過光速。黑洞的質(zhì)量與黑洞的視界半徑成正比，也就是史瓦西半徑。黑洞的質(zhì)量可以通過史瓦西半徑得到。由于黑洞只能進出的性質(zhì)，黑洞的質(zhì)量和表面積只會增加。一個不帶電也不旋轉(zhuǎn)的黑洞，可以由其質(zhì)量唯一確定。

角動量

角動量是描述物體旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的物理量。靜止黑洞的角動量為零。旋轉(zhuǎn)黑洞的角動量可能會隨著新物質(zhì)的下落而改變。視界的大小可以更大，而奇點和能量層可以更大或更小，這取決于新物質(zhì)的角動量。一個有角動量的真實黑洞周圍有一個空間被拖動旋轉(zhuǎn)。宇宙中有一個無電荷旋轉(zhuǎn)的宇宙黑洞，只需要角動量、質(zhì)量的兩個物理量可以區(qū)分兩個不同的黑洞。

溫度表面引力

因為黑洞會不斷產(chǎn)生輻射，消散到太空中，黑洞的最終命運將是徹底蒸發(fā)、消失于無形。但在2016年，霍金提出了黑洞“軟毛”可以保存一些黑洞熵的信息。所謂絨毛，就是黑洞視覺界面附近的光子。它們來自黑洞蒸發(fā)過程中的輻射。一個系統(tǒng)有熵就存在溫度，在表觀界面與熵成正比的前提下，很容易證明表面引力與溫度成正比。表面引力是一個物體放在地平線上時引力場的強度。換句話說，黑洞對應的溫度與黑洞視界的引力強度成正比，并取決于黑洞的大小。黑洞的重量只有太陽的幾倍，溫度相當于絕對零度，只比絕對零度高十億分之一度。

黑洞熱力學

黑洞熱力學是在霍金輻射理論的基礎上發(fā)展起來的。1974年，霍金在考慮黑洞附近的量子場論時，發(fā)現(xiàn)黑洞并不完全”黑“可以，但以熱輻射的形式，物質(zhì)向外輻射，輻射溫度與其表面引力成正比，這是一種量子效應?；艚疠椛涞囊粋€重要意義就是讓人們相信黑洞是一個真實的熱力學系統(tǒng)?；堇?學生雅各布·在黑洞面積永不減少的理論基礎上，Beckenstein提出了黑洞熵的概念。他認為，在不違反熱力學第二定律的前提下，從信息論的角度來看，黑洞應該有一個與其視界面積成正比的熵?；艚鸫_定了這種比例關系的系數(shù)，真正把黑洞的熵建立在黑洞的熱力學基礎上。與普通的熱力學系統(tǒng)相比，黑洞有自己的“熱力學定律”以及相應的計算公式。黑洞熵和黑洞外物質(zhì)的熵之和在任何物理過程中永遠不會減少；黑洞的溫度不可能通過有限的物理過程降到零；對于一個穩(wěn)態(tài)黑洞，其視界的表面引力是一個常數(shù)，這個常數(shù)定義了黑洞的溫度；對應熱力學第一定律，黑洞熱力學也有自己獨特的能量守恒體系。黑洞熱力學的研究正在揭示廣義相對論、熱力學和量子理論之間的深刻聯(lián)系。

電磁輻射

當黑洞吞噬恒星和其他物質(zhì)時，這些物質(zhì)會被它撕成氣體，在活動視界外圍形成一個旋轉(zhuǎn)的吸積盤。這些被捕獲的氣體在旋轉(zhuǎn)的同時接近可視界面，越接近可視界面，旋轉(zhuǎn)速度就會越快。這些高速旋轉(zhuǎn)的氣體之間的摩擦產(chǎn)生大量的熱量，吸積盤中心的強高溫氣體在生成時發(fā)出強烈的輻射。

人類探測到的黑洞大多位于宇宙中無處不在的雙星系統(tǒng)中。有時雙星系統(tǒng)中的另一個物體是普通恒星。正常恒星的物質(zhì)會被黑洞吸引，先進入吸積盤。當被捕獲的氣體過多時，一些未能落入黑洞的氣體會沿著黑洞的兩個旋轉(zhuǎn)軸被甩出，形成非常壯觀的噴流。

吸積和噴射都可以產(chǎn)生電池輻射，科學家可以通過輻射的X射線探測黑洞。

黑洞的基本特征由可視界面來表示，奇點和可視視界是黑洞結(jié)構的共同特征。質(zhì)量、電荷、角動量這三個物理量可以確定唯一的黑洞，這是黑洞的物理性質(zhì)，也說明黑洞具有非常簡單的結(jié)構特征。能層、光球是它的附屬特征。

奇點

奇點位于黑洞中心，體積無限小、密度無窮大、時空無窮遠的曲率點。

廣義相對論誕生后不久，卡爾·史瓦西預言宇宙中存在一顆足夠致密的恒星，它會被自身引力壓縮，最終坍縮成一個體積無限大密度無限大的點，只剩下引力場，自己消失。后來，這個點被稱為奇點。奇點是一個無限小的空間中具有巨大質(zhì)量的一維點它是宇宙中密度最高的地方，引力很強任何物體都只能游到其周圍一定區(qū)域之外這個區(qū)域被稱為地平線。所有穿過觀察界面的物體都將被拖到奇點。因為它的逃逸速度超過了光速，所以沒有一縷光線出去我們只能根據(jù)它對周圍物質(zhì)的影響來確定它的存在。

因為旋轉(zhuǎn)，克爾黑洞的中心不是一個點，而是一個奇環(huán)，一條被奇點包圍的圓圈線。落入克爾黑洞的物體可能會穿過奇環(huán)，進入一個新的時空區(qū)域。

視界面

視覺界面是包括光在內(nèi)的任何物質(zhì)都無法逃脫的時空界面。在離黑洞中心一定距離處，逃逸速度等于光速在這個距離內(nèi)，沒有任何東西可以逃脫這個距離稱為史瓦西半徑，史瓦西半徑中的虛球就是視覺界面，簡稱視界。視界的大小與形成黑洞的恒星質(zhì)量成正比。非旋轉(zhuǎn)黑洞和旋轉(zhuǎn)黑洞的視覺界面是不同的。

不旋轉(zhuǎn)的史瓦西黑洞只有一個可視界面和一個無限紅移面，兩者重疊，形狀為球形。

旋轉(zhuǎn)的克爾黑洞有兩個可視界面，一個是球形的，另一個是扁球形的。球形視覺界面被稱為視界；平球面的視覺界面稱為靜態(tài)極限，簡稱靜態(tài)極限。

能層

除了內(nèi)部和外部的視覺界面，一個旋轉(zhuǎn)的黑洞有兩個無限的紅移。外層視界和外層無限紅動面之間，內(nèi)層視界和內(nèi)層無限紅動面之間都有一個能量層。通過外紅移面進入外層的物體，只要不進入外層視界，就不會進入黑洞，仍然可能逃逸。進入外層視界的物體會落入內(nèi)層視界，無法逃脫。能量層中的能量是黑洞系統(tǒng)產(chǎn)生噴流的能量來源。這種能量可以通過大規(guī)模磁場提取。

光子球

光球是一個零厚度的球形邊界。黑洞的引力在這個邊界產(chǎn)生的引力加速度，只是讓一部分光子以圓形軌道繞著黑洞旋轉(zhuǎn)對于一個不旋轉(zhuǎn)的黑洞，這個軌道大約是史瓦西半徑的1倍.5倍，會隨著黑洞的成長而改變。

最里面的穩(wěn)定圓形軌道

圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)的吸積盤有一個臨界區(qū)，在這個臨界區(qū)內(nèi)物質(zhì)不能再穩(wěn)定地圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)，在沒有外力的幫助下必然被黑洞吞噬。這個位置在吸積盤和黑洞視界之間，被稱為“最里面的穩(wěn)定圓形軌道”，簡稱ISCO。對于一個簡單的、不旋轉(zhuǎn)黑洞的ISCO是史瓦西半徑的三倍。對于無處不在的旋轉(zhuǎn)黑洞，ISCO很難計算，因為它取決于黑洞的旋轉(zhuǎn)速度以及物體的軌道是隨黑洞旋轉(zhuǎn)還是反向逆行。

根據(jù)質(zhì)量大小分類

原初黑洞： 起源于早期宇宙的密度漲落。它是宇宙中質(zhì)量最小存在時間最短的黑洞它存在于恒星形成之前很久，大爆炸結(jié)束后不久。這種黑洞不是由大質(zhì)量恒星的引力坍縮形成的。它們的質(zhì)量可以只有幾克，也可以有幾百億個太陽質(zhì)量那么重。有科學家推測，可能是超大質(zhì)量黑洞的種子黑洞。早在20世紀60年代，美國物理學家澤爾多維奇和霍金就分別指出了這種黑洞存在的理論可能性。

微型黑洞：原初黑洞的一種。根據(jù)大爆炸宇宙學理論，早期宇宙中可能存在一些微型黑洞，一個質(zhì)量為10，重量為15克的黑洞。它的空間比例只有10-大約13立方厘米，相當于一個原子核的大小。由于溫度高，會有很強的輻射。高能天體的研究發(fā)現(xiàn)的高能爆炸過程，可能是這些小黑洞的發(fā)射及其最終爆炸造成的。

恒星級黑洞：起源于大質(zhì)量恒星的引力塌縮是大質(zhì)量恒星死亡后形成的，是宇宙中分布最廣的黑洞。理論上，銀河系中可能有上億個這樣的黑洞。2019年11月28日，劉繼峰，中國科學院國家天文臺、張的一個重要發(fā)現(xiàn)美國研究小組的論文發(fā)表在國際科學雜志《自然》上我國通過郭守敬望遠鏡發(fā)現(xiàn)了一個質(zhì)量是太陽70倍的黑洞。這個黑洞的質(zhì)量遠遠超過理論預測的質(zhì)量上限，顛覆了人們 s對恒星級黑洞形成的認識。雖然該理論預測銀河系中有數(shù)億個恒星黑洞，但目前只發(fā)現(xiàn)了約20個，且都小于太陽質(zhì)量的20倍。1964年，科學家通過觀測發(fā)現(xiàn)了第一個恒星黑洞。

超大質(zhì)量黑洞：超大質(zhì)量黑洞被稱為超大質(zhì)量黑洞幾乎所有星系的中心都存在超大質(zhì)量黑洞，通常是太陽質(zhì)量的100萬到幾十億倍Holm 15A星團中的黑洞是太陽質(zhì)量的400億倍。這種黑洞可能是由種子黑洞的吸積或黑洞的合并過程產(chǎn)生的。超大質(zhì)量黑洞的密度可以非常低，甚至低于空氣的密度。

中等質(zhì)量黑洞：恒星黑洞和超大質(zhì)量黑洞之間有一個中間黑洞目前，這個黑洞存在的有力證據(jù)來自低光度活動星系核，其中心黑洞的質(zhì)量不到太陽的一百萬倍。2019年5月1日，LIGO和處女座兩個引力波天文臺發(fā)現(xiàn)了一個中等質(zhì)量的黑洞，質(zhì)量是太陽的142倍，距離地球約170億光年。這是人類探測到的第一個中等質(zhì)量黑洞。這是兩個黑洞的合并。

廣義相對論下黑洞的時空幾何分類：

1. 史瓦西黑洞，m（質(zhì)量）不等于0，J（角動量）和Q（電荷）等于0。史瓦西在1916年提出了史瓦西黑洞假說，這個假說是不帶電的、不自旋的黑洞。史瓦西黑洞也被稱為“尋常黑洞”它只是一個假設的模型，一個理想狀態(tài)下的黑洞，并不能代表現(xiàn)實中黑洞的真實面目。

2. 個克爾黑洞，M不等于0，J不等于0，Q=0?？藸柡诙词且粋€旋轉(zhuǎn)的不帶電的黑洞，有兩個視界，內(nèi)層和外層，中間有一個能量層。1963年，一位來自新西蘭的數(shù)學家、物理學家羅伊·克爾得到了愛因斯坦 描述不帶電旋轉(zhuǎn)恒星的引力場方程這類恒星坍縮形成的黑洞被稱為克爾黑洞。與靜態(tài)的史瓦西黑洞相比，克爾黑洞更接近實際的物理黑洞。

3. 瑞思尼-Nostrom黑洞，m不等于0，j等于0，q不等于0。這是一個帶電但不旋轉(zhuǎn)的黑洞。

4. 克爾-紐曼黑洞，m不等于0，j不等于0，q不等于0。這是一個旋轉(zhuǎn)帶電的黑洞。

瑞斯尼-諾斯托姆黑洞和克爾紐曼黑洞都是帶電黑洞一般認為帶電黑洞不太可能具有重要的天體物理意義，因為在天體物理環(huán)境中，一個帶電的天體會很快被周圍的等離子體中和。因此，史瓦西黑洞和克爾黑洞在天體物理學中具有重要意義。宇宙中的大部分黑洞都是克爾黑洞。

黑洞和廣義相對論

在廣義相對論的理論體系中，時間和空間的結(jié)合稱為時空。時間和空間是一體的，不可分割的。曲率是指彎曲的程度。時空曲率是指時空彎曲的程度。宇宙中所有物質(zhì)的運動都可以用時空曲率來描述，引力場實際上是一個彎曲的時空，它決定了物質(zhì)和能量的運動規(guī)律。在引力場中，時空的性質(zhì)是由物體決定的s“質(zhì)量”或能量）由分布決定，一個對象“質(zhì)量”分布使得時空屬性不均勻，導致時空彎曲。物質(zhì)的密度越大，時空的曲率就越大。也就是說，當光穿過類似黑洞的東西時，“大質(zhì)量”當天體，它的路線是彎曲的，它將遵循“大質(zhì)量”物體所形成的“時空曲面”前進。引力的本質(zhì)是時空的彎曲。廣義相對論成功預言了黑洞，這是研究黑洞的重要理論基礎。

科學家在18世紀就開始懷疑黑洞的存在，直到廣義相對論的誕生才證實黑洞的真實存在。物理學家施瓦辛格解決了愛因斯坦 方程，得到了廣義相對論的嚴格解，現(xiàn)在被稱為施瓦辛格 s解，并推導出一個密度無限大質(zhì)量極高的天體，這就是黑洞。它能讓時空極度彎曲要擺脫這種時空曲率，需要的逃逸速度超過光速，但宇宙中沒有任何物質(zhì)可以超過光速，所以所有物質(zhì)，包括光，只要進入黑洞就無法逃逸。

現(xiàn)在人類有了黑洞的圖片，完全符合愛因斯坦 的廣義相對論。

黑洞無毛定理

黑洞是由大質(zhì)量恒星坍縮和聚集形成的無限小的體積、具有無限密度的奇點和它周圍幾乎是空的一部分天空已經(jīng)失去了形成它的恒星的所有信息。落入黑洞視覺界面的物體已經(jīng)失去了大部分信息。美國物理學家約翰?惠勒認為黑洞中只剩下質(zhì)量m、角動量j和電荷q的三個特征。知道了這三個特點，你就知道了它的一切。無論是哪種黑洞，它的終極性質(zhì)都只由質(zhì)量決定、角動量、電荷的這三個物理量是唯一確定的。這個功能被他戲稱為“黑洞無毛”這就是著名的黑洞無毛定理。毛”指恒星坍縮前的細節(jié)。1973年霍金、布蘭登·卡特和其他人證明了“無毛定理”的正確性。

黑洞無毛定理形象地展示了黑洞這一特殊天體的極簡物理特征。

同時，黑洞無毛定理并沒有否認其他量子電荷的存在。黑洞無毛”受到量子力學的挑戰(zhàn)后，黑洞的特征變得多了很多。

黑洞的透鏡效應

黑洞巨大的引力使得周圍的光線急劇彎曲，向它的方向靠近。即使是被黑洞遮擋的恒星發(fā)出的光，雖然其中一部分會落入黑洞而消失，但另一部分會繞過黑洞通過一個彎曲的空間到達地球，這樣我們就可以觀察到黑洞背面的星空，就像黑洞本身并不存在一樣。有些恒星不僅直接向地球發(fā)送光能，還會向其他方向發(fā)送光線，這些光線可能會被附近黑洞的強大引力彎曲，到達地球。這樣，我們不僅可以看到恒星的正面，還可以看到它的側(cè)面、或者背面，有時甚至可以看到來自同一顆恒星的兩個或更多圖像。黑洞通過這種引力透鏡效應將自己隱藏在浩瀚的宇宙中，給人類留下了無限的遐想和猜測。

黑洞照片

第一張黑洞照片拉開了直接觀測黑洞的序幕。2019年4月10日，視界望遠鏡（EHT）宣布成功獲得超大質(zhì)量黑洞的第一個直接視覺證據(jù)這個黑洞的圖像是室女座星系團超大質(zhì)量星系M87中心的黑洞，距離地球5500萬光年，質(zhì)量是太陽的65億倍。由八個地面射電望遠鏡組成的觀測陣列形成了一個地球大小的孔徑“虛擬”望遠鏡以前所未有的靈敏度和分辨率捕捉黑洞的圖像。愛因斯坦 他的廣義相對論首次被實驗證實。

一般認為在大多數(shù)星系的中心都有一個超大質(zhì)量的黑洞。我們銀河系中心的黑洞大約是太陽質(zhì)量的400萬倍。

2022年5月12日，人類首次拍攝到銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞*簡稱Sgr A*的照片。這是2019年4月處女座星系團M87中心超大質(zhì)量黑洞的第二張照片。這張照片匯集了EHT合作組織的共同努力，它由來自世界各地80個研究機構的300多名研究人員組成。除了開發(fā)復雜的工具來克服Sgr A*除了成像面臨的挑戰(zhàn)，研究團隊還花了5年時間用超級計算機合成和分析數(shù)據(jù)，編制了一個前所未有的黑洞模擬數(shù)據(jù)庫，并嚴格對比觀測結(jié)果。

此次公布的觀測結(jié)果給出了這個天體是黑洞的證據(jù)，為人類了解銀河系中心黑洞的行為提供了 條有價值的線索。這意味著人類正在觀察設備、觀測技巧、數(shù)據(jù)處理能力等多方面都有了系統(tǒng)性的飛躍。同時，這一成果進一步加強了對愛因斯坦 的廣義相對論。這張照片是由視界望遠鏡拍攝的（EHT）共同組織這個國際研究團隊，通過分布在世界各地的射電望遠鏡進行聯(lián)網(wǎng)“拍攝”因此，科學家們之前已經(jīng)觀察到了銀河系中心周圍的許多恒星，這是一個不可見的恒星、密度大質(zhì)量大的天體繞軌道運行。這有力地表明這被稱為人馬座a*我們的天體是一個黑洞，這張照片提供了第一個直接的視覺證據(jù)。

黑洞與引力波

廣義相對論預言了黑洞和引力波。引力波是巨大的天體爆炸、由輪換或合并等事件引起“時空漣漪”在物理學中，引力波以引力輻射的形式傳遞能量。當物質(zhì)的分布發(fā)生變化時，時空也會相應變化，就像往平靜的湖面上扔一塊石頭，湖面上會出現(xiàn)一圈波浪，時空也會把漣漪向外擴散，這就是引力波。引力波可以作為探索宇宙深處的工具，因為它攜帶了波源的信息。引力波的頻率很寬，就像交響樂中的高頻一樣、低、中音一樣。不同的頻率有不同的檢測方法?？茖W家可以通過捕捉和測量引力波來計算黑洞的質(zhì)量。

2016年2月11日，美國LIGO項目的科學家宣布，人類于2015年9月14日首次直接探測到引力波“聽”到了黑洞。13億光年外，兩個黑洞合并產(chǎn)生的引力波被“激光干涉儀引力波天文臺”探測到，這為黑洞的存在提供了最直接最清晰的證明。同時也證明了恒星級雙黑洞系統(tǒng)的存在。在合并過程中，相當于三個太陽質(zhì)量的能量以引力波的形式釋放出來。

從2015年到2018年，科學家探測到了10次由黑洞合并事件引起的引力波。黑洞使人類能夠發(fā)現(xiàn)引力波，擁有了利用引力波探索和感知宇宙的新能力，從而能夠更精確地觀測宇宙遙遠的角落。大爆炸產(chǎn)生的引力波也可以幫助科學家更好地了解宇宙的構成。