什麼是黑洞？
認識黑洞之前，先來認識什麼是脫離速度。
要跑得多快才能脫離黑洞？
脫離速度是指一個沒有動力的物體，脫離一個天體表面，不再掉下來的最低速度。以地球為例子，不考慮地球大氣的情況下，一個物體要離開地球的脫離速度是每秒 11.2 公里，只要一個物體的速度超過每秒 11.2 公里就會永遠離開地球，如果物體的速度小於脫離速度就會再落回地球。脫離速度和天體表面的重力有關，跟物體本身的質量沒有關係，一顆小石頭和一棟房子脫離地球表面的速度都是每秒 11.2 公里。
月球的重力比地球小，所以脫離月球表面的速度就只要每秒 2.4 公里。而太陽表面的重力比地球大，所以需要超過每秒 618 公里的速度才能脫離太陽。
如果在黑洞的表面（事件視界）上，那麼要離開黑洞的脫離速度是多少呢？黑洞的脫離速度超過每秒 30 萬公里，也就是要超過光的速度。但是世界上沒有東西可以跑得比光還快，所以連光都無法離開黑洞的表面，也就是說一但有東西掉入黑洞的事件視界，就永遠跑不出來了。因為連光都離不開，所以黑洞不會發出任何的光（或電磁波），這樣的物體就稱為黑洞。
史瓦西「算出來」的黑洞
黑洞的觀念一開始是從理論上算出來的。1915 年，愛因斯坦發表廣義相對論，幾個月後德國的物理學家卡爾·史瓦西在愛因斯坦的重力場方程式中，找到一個精確解。史瓦西的精確解導出所謂的史瓦西半徑，也就是一個不旋轉且不帶電的黑洞大小，在這個黑洞半徑內，任何東西都無法逃脫，包括光。
接著，我們來看看天鵝座 X-1（Cyg X-1）雙星系統從被發現到確認它存有黑洞的故事。
天鵝座 X-1 的現身
天鵝座 X-1（Cyg X-1）是最早發現的 X 射線源之一，所謂的 X 射線源就是會發出 X 射線的天體，天鵝座 X-1 是天文學家在天鵝座發現的第一個 X 射線源，所以就稱為天鵝座 X-1。一開始科學家並不瞭解為何天鵝座 X-1 會發出 X 射線，也不知道天鵝座 X-1 是什麼樣的天體。經過仔細研究後，發現天鵝座 X-1 是一個雙星系統，也就是兩個天體在彼此的重力吸引下互繞運行著。天鵝座 X-1 雙星系統中的一個天體是藍超巨星，它的編號是 HD 226868，另外一個天體則是黑洞，也就是發出 X 射線的來源。
天鵝座X-1的示意圖，吸積盤的中央是黑洞，右邊是它的藍巨星伴星HD 226868。
天鵝座 X-1 的伴星是 HD 226868，HD 226868 的物質在黑洞的附近先形成一個吸積盤，然後再掉進黑洞裡，吸積盤的溫度非常高，這樣的高溫會發出 X 射線，這就是天鵝座 X-1 的 X 射線來源。
黑洞不是不會發光嗎？為什麼還會發出 X 射線？發出 X 射線的是黑洞的吸積盤，不是黑洞本身，吸積盤位在黑洞的外圍，離黑洞還有一段距離，所以能夠發出 X 射線。
透過觀察 HD 226868 的運動，天文學家可以量測出天鵝座 X-1 黑洞和伴星 HD 226868 的質量，它們的質量分別是太陽質量的 15 倍和 19 倍左右。天文學家是如何知道天鵝座 X-1 是一個黑洞，而不是其他的天體呢？
如果天鵝座 X-1 是一顆 15 倍太陽質量的恆星，它發出的可見光一定會被看見。如果天鵝座 X-1 不是一顆恆星，有可能是恆星死亡後的殘骸嗎？恆星死亡後留下來的殘骸有三種：白矮星、中子星和黑洞。白矮星和中子星只發出微弱的可見光，不過白矮星和中子星的質量都有上限，白矮星最重不會超過 1.4 倍太陽質量，而中子星最重也不會超過3倍太陽質量，天鵝座 X-1 的質量是太陽的 15 倍，遠遠大於白矮星和中子星的質量上限，所以扣除恆星、白矮星和中子星的可能，天鵝座 X-1 最可能就是黑洞！
看到這裡你可能會想：既然黑洞真的存在，那麼，他是怎麼怎麼長大的？
一般人對黑洞的印象是引力非常強大，貪得無厭，沒有東西逃得過黑洞的引力，黑洞會把所有東西都吞食下去！不過真的是這樣嗎？
被伴星喂大的黑洞
黑洞長大的速度是相當慢的，比較像是細嚼慢嚥的吃東西，不會一口氣吞掉一整顆恆星。而且絕大部分的恆星質量黑洞都是被喂大，並不是自己主動去爭搶食物。
以兩個水池為例，說明黑洞如何從伴星獲得質量，下圖中左邊水池代表黑洞，右邊水池代表繞黑洞運行的伴星，兩個水池之間有一水道相連。
兩個水池的剖面圖，水池之間有水道相連，左邊水池像微黑洞，而右邊水池代表黑洞的伴星。右邊水池的水要如何移到左邊水池呢？第一種方式，右邊水池的水滿過水道；第二種方式是從右邊水池潑水過去。
雖然左邊水池比右邊水池還要深，但是右邊水池的水並不會自然的流到左邊。黑洞也是一樣，即使黑洞的引力很強，不過並不一定會把伴星的物質吸過去。那麼什麼樣的情況右邊水池的水會流到左邊水池呢？
第一種方式是右邊水池的水滿到水道的高度，水就會從右邊水池流向左邊。黑洞和一顆小質量伴星的情況中，當小質量伴星演化到末期，伴星會膨脹成紅巨星，伴星膨脹後，物質就會自然地流向黑洞，就像水池裡的水滿過水道一樣。
第二種方式是從右邊水池潑水到左邊水池。這種情況會發生在黑洞和大質量伴星的系統，大質量伴星會發出強烈的恆星風，把物質吹向黑洞，這就像是從右邊水池潑水到左邊水池。
這兩種方式都是恆星質量黑洞長大的方式，黑洞並不會主動掠奪伴星的物質，而是被伴星喂大的！
慢條斯理而非狼吞虎嚥
前面提到的兩種黑洞長大的方式，伴星提供的物質並不會直接掉進黑洞，而是先在黑洞外圍形成吸積盤，再慢慢從吸積盤掉進進黑洞。
黑洞示意圖，黑洞伴星的物質會先在黑洞周圍形成吸積盤，再慢慢掉入黑洞。
吸積盤上的物質其實並沒有那麼容易掉進黑洞，吸積盤就像土星環一樣，土星環上的物質也繞著土星運轉，它們只會繞著土星運行，而不會掉進土星。這也和太陽系裡的行星很類似，行星以圓形的軌道繞太陽運行，但是不會掉進太陽。那麼吸積盤上的物質要如何掉進黑洞？
以低軌道人造衛星為例子來說明，低軌道人造衛星原本繞著地球運行，但是受到上層稀薄大氣層的摩擦，速度會漸漸變慢，讓人造衛星慢慢靠近地球，最後掉入地球燒燬在地球大氣層裡。
吸積盤上的物質跟人造衛星掉入地球類似，靠近黑洞吸積盤內側的物質繞黑洞的速度會比外側的物質快，因為速度不一樣所以會產生摩擦，物質之間的摩擦讓吸積盤上的物質轉速變慢，讓物質更靠近黑洞，最後掉進黑洞裡。
吸積盤上的物質會因為摩擦而產生高溫，高溫的吸積盤甚至會發出強烈的 X 射線和伽瑪射線，所以科學家通常會用 X 射線和伽瑪射線望遠鏡去發現、尋找黑洞。
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