黑洞

黑洞是根據現代的廣義相對論所預言的，在宇宙空間中存在的一種質量相當大的天體。黑洞是由質量足夠大的恒星在核聚變反應的燃料耗盡而死亡后，發生引力坍縮而形成。黑洞的質量是如此之大，它產生的引力場是如此之強，以致任何物質和輻射都無法逃逸，就連光也逃逸不出來。由于類似熱力學上完全不反射光線的黑體，故名為黑洞。

黑洞的形成

跟白矮星和中子星一樣，黑洞也是由恒星演化而來的。當一顆恒星衰老時，它的熱核反應已經耗盡了中心的燃料（氫），由中心產生的能量已經不多了。這樣，它再也沒有足夠的力量來承擔起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，直到最后形成體積小、密度大的星體，重新有能力與壓力平衡。質量小一些的恒星主要演化成白矮星，質量比較大的恒星則有可能形成中子星。而根據科學家的計算，中子星的總質量不能大于三倍太陽的質量。如果超過了這個值，將再沒有什么力能與自身重力相抗衡了，從而引發另一次大坍縮。根據科學家的猜想物質將不可阻擋地向著中心點進軍，直至成為一個體積趨于零、密度趨向無限大的“點”。而當它的半徑一旦收縮到一定程度（史瓦西半徑），正像我們上面介紹的那樣，巨大的引力就使得即使光也無法向外射出，從而切斷了恒星與外界的一切聯系——“黑洞”誕生了。

黑洞研究歷史的主要節點

法國物理學家拉普拉斯預言：“一個質量如250個太陽，而直徑為地球的發光恒星，由于其引力的作用，將不允許任何光線離開它。由于這個原因，宇宙中最大的發光天體，卻不會被我們看見。”

在愛因斯坦發表廣義相對論后，德國天文學家卡爾·史瓦西即得到愛因斯坦場方程的精確解，能夠對于點質量與球形質量所產生的引力場給出描述，這包括史瓦西度規和史瓦西半徑等概念。

德國天文學家沃爾特·巴德和瑞士天文學家弗里茨·茲威基指出，當一個衰老的大質量恒星核無法再通過熱核反應產生能量時，它有可能會通過引力坍縮的過程坍縮為一個中子星或黑洞。

美國物理學者歐本海默計算出，一顆質量超過太陽質量3倍（ 歐本海默極限）而又沒有任何熱核反應的“冷恒星”，一定會在自身引力的作用下坍縮成為黑洞，也就是說該恒星已經成為死亡遺骸。

英國天文學者霍金提出黑洞蒸發的概念，會出現四種可能性：直接湮滅、雙雙落入黑洞、正粒子落入黑洞而負粒子逃脫、負粒子落入黑洞而正粒子逃脫，而且最后一種可能性最低。

黑洞的分類

按質量分類

超重黑洞：質量可以是太陽的數百萬至170億倍。迄今所知最大的黑洞在星系NGC 1277的中心，質量約為太陽的170億倍。

中介質量黑洞：是質量超過恒星黑洞（數十倍太陽質量），但遠小于超重黑洞（數百萬倍太陽質量）的一種黑洞。即超新星爆炸以后所留下的核心質量是太陽的3至15倍就會形成黑洞。

恒星黑洞：大質量恒星（大約20倍太陽質量）引力坍塌后所形成的黑洞，可以借由伽馬射線暴或超新星來發現它的蹤跡。

微型黑洞：又稱作量子黑洞或者迷你黑洞，是很小的黑洞。微型黑洞的產生有可能是在大型強子對撞機內就可以觀測到的重要現象。

按物理特性分類

不旋轉不帶電荷的黑洞：它的時空結構于1916年由史瓦西求出稱史瓦西黑洞。

不旋轉帶電黑洞：稱R-N黑洞。時空結構于1916～1918年由Reissner和Nordstrom求出。

旋轉不帶電黑洞：稱克爾黑洞。時空結構由克爾于1963年求出。

一般黑洞：稱克爾-紐曼黑洞。時空結構于1965年由紐曼求出。

原初黑洞

原初黑洞是理論預言的一類黑洞，目前尚無直接證據支持原初黑洞的存在。宇宙大爆炸初期，宇宙早期膨脹之前，某些區域密度非常大，以至于宇宙膨脹后這些區域的密度仍然大到可以形成黑洞，這類黑洞叫做原初黑洞。原初黑洞的質量與密度不均勻處的尺度有關，因此原初黑洞的質量可以小于恒星坍塌生成的黑洞，根據霍金的理論，黑洞質量越小，蒸發越快。質量非常小的原初黑洞可能已經蒸發或即將蒸發，而恒星坍塌形成的黑洞的蒸發時標一般長于宇宙時間。天文學家期待能觀測到某些原初黑洞最終蒸發時發出的高能伽馬射線。

黑洞的天文觀測

黑洞形成后，周遭的物質會不斷被吸入黑洞中而無法被觀測，更無法指出當黑洞單獨存在，但當雙星中的一方為黑洞時，來自另一方星球的氣團不斷流入黑洞，驟然激起的高溫，這時X射線閃光等會發亮，此時可以間接發現黑洞存在。由于黑洞觀測有實際的困難度存在，宣稱某個星體是黑洞者，通常都只給出幾張模糊的照片或部分的數據，黑洞的所有特征無法全面驗證，一般媒體報道實際僅有部分資訊，無法滿足專業天體物理的數據要求，因此天文數據庫當中，并沒有黑洞，僅有黑洞候選星。

人們為了尋找黑洞付出很多努力，成果卻不多，20世紀的70年代才找到4個黑洞候選者，在90年代之后又發現6對新的X射線雙星黑洞候選者，其中2個在大麥哲倫星系里，8個在銀河系內，并于2000年后續續探測出7個，有人估計過去100億年中銀河系平均每100年有一顆超新星爆炸，而每100個中有1顆導致黑洞形成，那么銀恒系應該有100萬個恒星級黑洞，可是至2007年也只有找到一共17個黑洞候選者。

黑洞的天文觀測

美國宇航局2010年11月15日發現地球附近有一個年僅30歲的黑洞，這也是人類科學史上發現的最年輕的黑洞。這個30歲的黑洞是距離地球約5000萬光年的M100星系中的超新星“SN1979C”的余燼。根據錢德拉X射線望遠鏡、美國雨燕衛星、歐洲宇航局牛頓X射線天文望遠鏡（XMM-Newton ）以及德國倫琴衛星獲得的數據顯示一個明亮的X射線源，這個X射線源在1995年到2007年這段觀測期內一直非常穩定，這表明這個天體是一個黑洞，它正在吞噬這顆超新星和伴星落下的物質。這是唯一一個人類全程見證它形成的黑洞，也是超新星爆炸能夠形成黑洞的唯一的直接證據。

天鵝座X-1的賭約

天鵝座X-1曾是物理學家史蒂芬·霍金和基普·索恩打賭的主角，霍金賭這個空間里沒有黑洞存在。霍金后來解釋，這是一個“保險措施”。

在《時間簡史》里，霍金寫道：“對我而言是一個保險的形式。我對黑洞做了許多研究，如果發現黑洞不存在，則這一切都成為徒勞。但在這種情形下，我將得到贏得打賭的安慰，他要給我4年的雜志《偵探》。如果黑洞確實存在，基普·索恩將得到1年的《閣樓 （雜志）》。我們在1975年打賭時，大家80%斷定，天鵝座是一個黑洞。迄今，我可以將大約95%是肯定的，但輸贏最終尚未見分曉。”

根據《時間簡史》的十周年更新版本，霍金已經輸了打賭，因為之后的觀測數據支持黑洞理論。在索恩的《黑洞與時間扭曲》中，索恩寫道：1990年霍金到南加州大學演講，當時索恩人在莫斯科，于是霍金大張旗鼓闖入索恩的辦公室拿出當年的賭據來按手指認輸。