時空中的無底深淵、深藏不露的引力陷阱……在史蒂芬·霍金的科學名著《時間簡史》中，黑洞是宇宙中最為神秘的天體之一——宇宙“引力怪獸”黑洞具有強大的吸力，遠看就像一個一望無盡的黑色深淵，會將周圍所有的東西都吸引進去，甚至能夠吞噬行星，撕碎太陽系。連光都不能在黑洞處存在，一照射進去就會瞬間被吞沒只有一片漆黑。
近日，一個爆炸性的重大消息轟動了全球天文界——在全球多地同步發佈了人類首次拍攝的黑洞照片引發巨大熱議。
前世今生，“黑洞”研究簡史
黑洞研究一直是一個熱門研究領域，人類關注黑洞的歷史可以追溯到18世紀末。在萬有引力定律提出約百年後，英國科學家約翰·米歇爾在1783年首次提出，可能存在引力強大到連光線也無法逃離的“暗星”。
1795年，法國數學家拉普拉斯在通過計算得出：如果天體的質量非常大時，根據牛頓萬有引力定律，其引力將極其大，以至於光也不能從這樣的天體上射到外部空間去。外部的人就看不到它，則該天體是“黑的”。
1915年，愛因斯坦提出真正“預見”黑洞的廣義相對論，預言存在黑洞這樣一種天體，他認為，“黑洞就像沉浸在一片類似發光氣體的明亮區域內，我們預期黑洞會形成一個類似陰影的黑暗區域”。
1916年，德國天文學家史瓦西發現所有的星體都存在一個史瓦西半徑，如果星體的實際半徑比它的史瓦西半徑要小，那麼它就會變成一個黑洞。比如，太陽的史瓦西半徑是3000米。
1939年，奧本海默和他的研究生斯奈德用廣義相對論分析了氣體球塌縮後得出結論，認為在宇宙中是有“暗星”存在的，但“黑洞”一詞作為物理學名詞是由美國天體物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒1967年正式提出的，此後，科學界不斷收穫關於黑洞的研究成果。在此之前，人們是用暗星、凍結星、坍縮星這類名詞來稱呼“黑洞”的。
1970年，美國的“自由”號人造衛星發現位於天鵝座X-1上一個比太陽重30多倍的巨大星球，被一個重約10個太陽的看不見的物體牽引著。天文學家一致認為這個物體就是黑洞，這是人類發現的第一個黑洞。
1974年，英國物理學家霍金證明黑洞具有與其溫度相對應的熱輻射，稱為“黑洞輻射”。黑洞的質量越大，溫度越低，輻射過程就越慢。
2019年4月10日，人類首張黑洞照片“沖洗”完成，這一神秘天體終於被人類看到了真容——數百名科學家參與合作的“事件視界望遠鏡（EHT）”項目發佈了人類拍到的首張黑洞照片。該黑洞圖像揭示了室女座星系團中超大質量星系M87中心的黑洞。該黑洞距離地球5500萬光年，質量為太陽的65億倍。
近年來隨著人們對宇宙發展研究的深入，當質量較小的恆星演化形成的最終產物——白矮星、中子星已被證實在宇宙中存在時。那麼大質量的恆星在演化過程中形成的最終產物——黑洞在宇宙中也應該存在，但因為任何物質和光進入黑洞，就再也無法從其內逃脫出來，致使觀測者無法通過實驗直接觀看到它。
既然黑洞存在，則它的對稱物——白洞也就應該存在，銀河系大約有1千億顆可見恆星，在宇宙中存在著更多的恆星，其中許多已經死亡，研究黑洞、白洞對解決宇宙中大質量恆星的最終歸宿問題有著重要意義。
二、恆星的演化與黑洞的形成
黑洞是大型恆星衍變到後期的結果，經過膨脹、坍縮，其內部壓力變得極為龐大，密度可以達到每立方厘米的質量幾十億噸，而且幾乎所有質量都集中在最中心的“奇點”處。這樣龐大的密度導致在黑洞周圍的一定區域內，連光也無法逃逸出去，這個邊界稱為“事件視界”。而沒有光，人類也就無法看見黑洞。
人類要認識恆星級黑洞的形成過程，就應先認識恆星的演化過程，在恆星的演化過程中，恆星通過內部氫→氦聚變放出大量的能量，形成主序星，由於氫、氦燃料不斷燃燒，在演化晚期，氫、氦燃料消耗完後，恆星會在其自身引力的作用下不斷收縮，其核心密度越來越大，引力越來越強，最終變成為高度壓縮狀態。
按恆星質量的大小，最終坍縮成白矮星、中子星或黑洞。自身質量較小的恆星會演化形成白矮星、中子星，自身質量較大的恆星會形成黑洞，所以恆星最終是形成黑洞，還是白矮星或中子星，取決於恆星質量的大小，
當恆星的質量小於或等於1.2～1.4倍的太陽質量時，在恆星中產生的費米電子簡併壓力能夠與恆星的自身引力抗衡，這樣就阻止了恆星的進一步坍縮，並最終演化成白矮星。
質量再大一些的恆星，即質量大於1.2～1.4倍太陽的質量，由於恆星自身質量越大，其引力也越大，恆星中產生的費米電子簡併壓力已不能與恆星的自身引力抗衡了，從而引起恆星的進一步坍縮，並使超新星爆發向外噴發大量物質和輻射，剩餘的密度極高的核將電子吸入原子核，並與核中的質子結合成中子，此時恆星的殘餘物質就主要由中子組成，而恆星中由中子產生的中子簡併壓遠大於費米電子簡併壓，這時中子簡併壓力又能夠平衡恆星自身的引力收縮，這樣恆星就演化成密度為幾億t／cm³的中子星。
當恆星的質量大於3倍的太陽的質量時，因恆星自身引力的進一步加大，導致中子簡併壓力不能與引力抗衡，這時在已知的物理學範疇內已找不到一種力可以和坍縮引力抗衡，收縮將不可阻擋，星體將在不到1s內迅速坍縮到施瓦西半徑之內，這時恆星就演化成體積無限小而密度“無限大”的奇態星體。其周圍存在著極其強的引力場，致使時空極度彎曲、時間無限膨脹而形成一個黑洞。
科學家認為，並不是質量超過3倍太陽質量的主序星就能夠演化成黑洞，據估計只有當主序星的質量達到20倍太陽的質量以上才能演化成黑洞，因為主序星在形成黑洞時也有激烈的超新星爆發，最後剩餘的緻密核心殘骸才是形成黑洞的物質。
目前關於超大質量黑洞形成原因的說法有很多，比如形成於大量恆星緻密聚集的一個區域，或由一些恆星形成的小黑洞融合而成等等，其具體形成原因還有待進一步探索。
三、“宇宙奇葩”，黑洞與白洞到底有多大
那麼黑洞有多大呢？根據施瓦西黑洞半徑公式RS=2GM/C2(RS為史瓦西半徑，G是萬有引力常數，M是天體的質量，C是光速。用這個公式，對於一個與地球質量相等的天體，其史瓦西半徑僅有9mm，而太陽的史瓦西半徑約為3km。在公式中，G和C都是常數，RS與質量成正比，而且和天體的組成元素也毫無關係，從這樣的關係可以看出，質量增加一倍，半徑增加一倍，顯而易見，這裡出現了幾何問題。對於一個球體來講，半徑增加一倍，體積增加7倍。這樣的變化使視界的重力場越來越小，這樣的結果不能不讓人感到困惑。就普通的情況而言，兩個質量相同的鐵球相加，質量增加了一倍，體積也只能增加一倍。就兩個質量相同的黑洞而言，把它們加在一起質量和體積也只能增加一倍。可見小黑洞的密度大得不可想象，如10億t的小黑洞才達到質子的大小，地球質量的黑洞其半徑還不到1cm。
目前，天文學家們根據質量的不同將黑洞分類成：恆星級質量黑洞（質量從幾倍到幾百倍太陽質量）、超大質量黑洞(質量大於幾百萬倍太陽質量）、介於恆星級和超大質量黑洞之間的中等質量黑洞三大類。按黑洞無毛定律可分為四類：角動量和電荷二者都等於零，而質量不為零的黑洞是施瓦西黑洞；角動量等於零，電荷和質量二者都不為零的黑洞稱為Reissner-Nordstrom黑洞；電荷等於零，角動量和質量二者都不為零的黑洞為克爾黑洞；角動量、電荷、質量三者都不為零的黑洞稱為克爾——紐曼黑洞。
不過，黑洞吞噬周圍氣體是有節制的。黑洞在吸積吞噬周圍物質時，物質下落釋放的引力能會轉化為輻射，當吞食的物質累積到一定程度，向外的輻射壓會阻止物質的進一步下落。當天體作用於一個粒子上的引力和輻射壓剛好平衡時，對應的臨界吸積率稱作愛丁頓吸積率。一般情況下，愛丁頓吸積率是黑洞吸積物質的最大效率。
觀測發現，在宇宙早期，比如宇宙大爆炸之後10億年內，就存在質量為百億倍太陽質量的超大質量黑洞。這令人疑惑.如果說它是從一個嬰兒（種子）黑洞長大的，這個嬰兒黑洞得多大？嬰兒黑洞如何吞噬周圍氣體塵埃食物，才能長成實際觀測到的大胖子呢？
最自然的一類種子黑洞要尋根於宇宙大爆炸後幾億年左右形成的第一代星系。它們中的大質量恆星快速演化到晚期，發生超新星爆炸，核心殘留的天體便是質里約幾百倍太陽質量的黑洞。但如果假設種子黑洞是這類恆星級質量黑洞，鑑於質裡增長的速度受愛丁頓吸積率限制，那麼即使種子黑洞一直以最快速度成長，質置增長到十億、百億倍太陽質量所需要的時間也遠遠超過它的年齡，這就帶來了所謂的黑洞成長時間危機問題。
白洞是黑洞的對稱物。根據對稱性原理，白洞實質上就是黑洞的時間反演，有黑洞解就應有白洞解，無論多少物質一但掉入黑洞就消失了，比太陽大的質量掉入一個“點”中不見了；與黑洞相反，白洞不斷向外噴射物質和向外輻射，據推算白洞只能產生於宇宙的初始大爆炸，在用現有的理論無法描述的超密狀態中才可能產生白洞。
1974年，霍金提出黑洞具有量子性質的溫度輻射，能量可以通過霍金輻射從黑洞中傳出，則黑洞不黑。例如10億t級的小黑洞，根據計算溫度可達到10K，即溫度高達幾千億度，不但不是“黑”的洞。相反是非常明亮的光源，實際上就是一個白洞，霍金還證明了小黑洞與白洞不可區分，其他科學家們還推測在難以想象的“奇異”狀態下，可能發生由黑洞向白洞的轉化。而我們的宇宙是否產生於一個超巨型的黑洞轉化為白洞的一場大爆炸中仍有待於探索。
三、“黑洞”在哪兒，恆星與黑洞在星系中的分佈
大質量的星系包括三類星體：一是質量不變的星體，這類星體不發生核聚變；二是恆星，這類星體會發生核聚變，質量會不斷損失；三是黑洞，該類星體大質量恆星演化形成的，它會吸收周圍物資，質量不斷增加。它們在星系中是如何分佈呢?
在星系中，當星體的質量發生變化，它的質量變化率不等於零，受到星體繞星系質心運動的角速度變化，會導致引力與離心力不能相互抵消。當恆星質量不斷損失時，恆星會受到一個向外的“力”，恆星向外加速運動；如果星系中有黑洞，當黑洞質量不斷增加時，黑洞會受到一個向內的“力”，黑洞會向內加速運動。結論：一個有黑洞的星系，恆星會分佈在星系的外部區域，黑洞會分佈在星系的中心區域；如果我們找黑洞，只能在星系中心附近找。
有人認為宇宙本身就是一個大黑洞，也有人認為宇宙中90％以上物質已變成暗物質，大質量的恆星最終的命運會是黑洞嗎?星系中心存在超大質量的黑洞嗎?因為任何物質和光進入黑洞，就再也無法從其內逃脫出來，致使觀測者無法通過實驗直接觀看到它。但目前理論認為黑洞周圍的吸積盤上的氣體，由於摩擦溫度會變得極其高，從而發出大量X射線。因此，人們可以通過探測來自宇宙的X射線來探測黑洞，探測黑洞極強的引力在其周圍產生的一些效應來研究黑洞，用引力透鏡效應和恆星的開普勒軌道運動等來研究黑洞。
目前多數天體物理學家認為天鵝座X—1(Cy—1)就是一個恆星級黑洞，並已探明它是一對雙星中的一顆，它一邊吞噬其伴星物質，一邊發出強烈的X射線。早在1962年，美國的科學工作者賈科尼把X射線計數器放到高空，意外發現了來自太陽和月球以外太空區域一個很強的X射線源，但當時未能確定該X射線源天體的位置。1966年賈科尼和日本學者小田等用準直器調製定位法測出天鵝座X—1，這是人類發現的首個來自宇宙的x射線源，後經一些實驗觀測，測定出了雙星的軌道運動情況，從而推算得出天鵝座X一1的質量是太陽質量的8倍(大於3倍太陽質量)，符合恆星級黑洞形成的條件。
超新星是某些恆星演化到末期時災變性的大爆發，超新星爆發是一顆大質量恆星的壯烈死亡。它的核心殘骸將是緻密天體——黑洞或中子星。近年來每年都會發現數百顆超新星，其中有代表性的是在1987年2月23日爆發的SNI987A這顆來自大麥哲倫星系的超新星，人們利用哈勃太空望遠鏡、錢德拉X射線天文臺、澳大利亞大天線陣和南雙子座望遠鏡等對SN1987A進行了長期的觀察和研究，目前天文學家還在繼續尋找這顆死亡恆星殘骸的下落。據估計這顆爆發的超新星很可能已變成恆星級黑洞或中子星。
最新黑洞理論認為，在星系中心普遍存在超大質量黑洞。1971年，天文物理學家Lynden-BellD和ReesM首次提出在銀河系中心存在一個黑洞——SgrA*並建議用射電干涉來尋找它，20世紀90年代以來，地面的天文觀測設備和空間x射線望遠鏡都探測到了來自銀河系中心SgrA*黑洞的x射線。各國的天文物理學家通過多年研究，並根據實驗觀測推算出其質量為40～400萬倍太陽質量，用射電望遠鏡觀測的大量數據和理論模型越來越支持SgrA*黑洞就是銀河系中心的超大質量黑洞的說法，有些跡象表明它還有自旋，可能是科爾黑洞。我國的上海天文臺科學工作者從1997年開始用高分辨率甚長基線干涉的新技術對SgrA*展開觀測，得出了相同的結論。
自2004年以來，阿根廷的PierreAuger天文臺的科學家用1600個離子探測器和24臺特製天文望遠鏡記錄到高能宇宙射線，他們通過對這些宇宙射線的來源分析後認為，這種高能宇宙射線極有可能來源於星系核，星系核中心的超大質量黑洞為之提供了巨大能量。2002年，歐洲研製的用編碼孔徑成像技術的INTEGRAL衛星上天后，新發現了幾十個被認為是超大質量的黑洞。
2010年11月，美國宇航局揭開了一則吊足媒體胃口的“秘密”——地球附近一個年僅30歲的黑洞，這也是人類科學史上發現的最年輕的黑洞。2011年8月，天文學家首次抓拍到黑洞吞噬恆星的過程，這被認為是目前宇宙最神秘、最震撼的情景。照片中的黑洞彷彿魔鬼一般，將一顆接近它的恆星瞬間撕碎變成發光等離子體後消失無形。據悉，照片中的黑洞距地球約40億光年。2015年8月27日，NASA發佈馬卡良231星系的近照，馬卡良231是擁有雙重巨型黑洞的近地球星系，距離地球6億光年。
為揭開黑洞的神秘面紗，2017年，一項黑洞觀測計劃，即“事件視界望遠鏡”（EHT）計劃正式啟動。按照EHT計劃，全世界200多位科學家組成空前龐大的“戰鬥陣營”，利用全球多地的8個亞毫米射電望遠鏡及其陣列，組成一個虛擬的望遠鏡網絡，即“事件視界望遠鏡”，同時對黑洞展開觀測。
綜上所述，現在採用尋找黑洞的辦法是探測來自宇宙的X射線源和確定X射線源的質量,如有來自於緻密天體的X射線,且這類緻密天體的質量大於3倍太陽質量，則基本認定此類天體為黑洞。現已探明中子星的半徑大約是10英里，是恆星級黑洞臨界半徑的幾倍,一個大質量恆星坍縮到更小的尺度變成黑洞的可能性是極大的，但最終要確定黑洞的存在，還有待於黑洞理論的進一步完善和實驗的更新驗證。目前對於黑洞的對稱物——白洞的研究還停留在理論層面，尚無實驗上的論證和支持。
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