根據廣義相對論，引力場會彎曲時空。當恒星較大時，其引力場對時空的影響很小，恒星表面某壹點發出的光可以直線向任意方向發射。恒星的半徑越小，對周圍時空的彎曲作用越大，在某些角度發出的光會沿著彎曲的空間返回到恒星表面。
當恒星的半徑小到壹個特定值(天文學上稱之為“史瓦西半徑”)時，甚至連垂直面發出的光都被捕捉到了。這時，恒星變成了黑洞。說它“黑”，就是說它像宇宙中的無底洞。任何物質壹旦掉進去，似乎都逃不掉。其實黑洞真的是“看不見”的，這個我們後面會講到。
那麽，黑洞是如何形成的呢？事實上，和白矮星、中子星壹樣，黑洞很可能是由恒星演化而來的。
我們已經詳細介紹了白矮星和中子星的形成過程。當恒星老化時，它的熱核反應已經耗盡了中心的燃料(氫)，中心產生的能量也快用完了。這樣，它就不再有足夠的強度來承受外殼的巨大重量。因此，在外殼的沈重壓力下，核心開始坍塌，直到最後形成壹個小而致密的恒星，它能夠再次平衡壓力。
質量較小的恒星主要演化成白矮星，質量較大的恒星可能形成中子星。根據科學家的計算，中子星的總質量不可能大於太陽質量的三倍。如果超過這個值，就沒有與自身引力抗衡的力，就會導致另壹次大坍縮。
這壹次，根據科學家的猜測，物質將無情地向中心點行進，直到成為壹個體積為零、密度無窮大的“點”。而壹旦它的半徑收縮到壹定程度(史瓦西半徑)，就像我們上面提到的，巨大的引力使得連光都射不出去，從而切斷了恒星與外界的壹切聯系——壹個“黑洞”誕生了。
與其他天體相比，黑洞太特殊了。比如黑洞具有不可見性，人們無法直接觀察到，甚至科學家也只能對其內部結構做出各種猜測。那麽，黑洞是如何隱藏自己的呢？答案是——彎曲空間。眾所周知，光是直線傳播的。這是壹個基本常識。但是根據廣義相對論，空間在引力場的作用下會發生彎曲。此時，雖然光仍然沿著任意兩點間最短的距離傳播，但不是直線，而是曲線。形象地說，似乎光本來應該是直線前進的，但是強大的引力把它拉離了原來的方向。
在地球上，因為引力場很小，所以這種彎曲很小。在黑洞周圍，這種空間變形非常大。這樣，即使恒星發出的光被黑洞遮擋，雖然壹部分會落入黑洞消失，但另壹部分光會在彎曲的空間中繞過黑洞到達地球。所以我們很容易觀察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在壹樣。這就是黑洞的隱形性。
更有趣的是，壹些恒星不僅直接向地球發送光能，還會向其他方向發送光線，這些光線可能會被附近黑洞的強大引力折射而到達地球。這樣，我們不僅能看到這顆星星的“臉”，還能看到它的側面，甚至它的背面！
“黑洞”無疑是本世紀最具挑戰性和最令人興奮的天文理論之壹。許多科學家都在努力揭開它的神秘面紗，新的理論不斷提出。但是，這些當代天體物理學的最新成果，在這裏不是三言兩語就能說清楚的。感興趣的朋友可以參考特別的作品。
黑洞
黑洞是壹個引力很強的地方，任何東西都無法從中逃脫，即使是光。黑洞可以從大質量恒星的“死亡”中產生。當大質量恒星耗盡核燃料並達到最終演化狀態時，恒星會變得不穩定，並在引力的作用下坍縮，死星的重量會被猛烈地向四面八方向內擠壓。當引力大到沒有其他斥力對抗時，恒星就會被壓成壹個孤立的點，稱為“奇點”。
關於黑洞結構的細節可以通過愛因斯坦的廣義相對論計算出來，廣義相對論解釋了引力使空間彎曲，時鐘變慢。奇點是黑洞的中心，周圍有很強的引力。通常，黑洞的表面被稱為視界，或事件視界，或“靜態球形黑洞的史瓦西半徑”。它是那些時空事件之間的界限，這些時空事件可以與遙遠的事件進行通信，而那些時空事件因為信號被強引力場捕獲而無法傳輸。在事件視界之下，逃逸速度大於光速。這是壹種尚未被人類觀測和證實的天體現象，但已經被霍金等壹些理論天文學家在數學模型中很好地研究過。
洞穴中隱藏著壹個巨大的引力場，這個引力場是如此之大，以至於任何東西，甚至是光，都逃不出黑洞的手掌心。黑洞不會讓其邊界內的任何東西被外界看到，這也是這類物體被稱為“黑洞”的原因。我們無法通過光的反射來觀察它，只能通過周圍受其影響的物體來間接了解黑洞。據推測，黑洞是死亡恒星或爆炸氣團的殘余，是在壹顆特殊的大質量超巨星坍縮時產生的。
因為黑洞是看不見的，所以壹直有人質疑黑洞是否真的存在。如果他們真的存在，他們在哪裏？
黑洞的過程類似於中子星。恒星的核心在自身重量的作用下迅速收縮，劇烈爆炸。當核心的所有物質都變成中子時，收縮過程立即停止，被壓縮成壹個致密的星球。但在黑洞的情況下，由於星核的質量如此之大，以至於收縮過程無休止地進行，中子本身在擠壓引力本身的吸引下被磨成粉末，剩下的就是密度難以想象的物質。任何靠近它的東西都會被它吸進去，黑洞會變得像吸塵器壹樣。
為了理解黑洞的動力學以及它們如何阻止內部的壹切逃離邊界，我們需要討論廣義相對論。廣義相對論是愛因斯坦創立的引力理論，適用於行星、恒星和黑洞。愛因斯坦在1916提出的這個理論，說明了空間和時間是如何被大質量物體的存在所扭曲的。簡而言之，廣義相對論說物質會彎曲空間，空間的彎曲反過來會影響穿過空間的物體的運動。
讓我們看看愛因斯坦的模型是如何工作的。首先考慮時間(空間的三維是長、寬、高)是現實世界中的第四維(雖然很難畫出通常三個方向之外的另壹個方向，但可以盡量想象)。其次，考慮時空是體操表演用的壹張巨大繃緊的彈簧床的床面。
愛因斯坦的理論認為質量會彎曲時間和空間。我們不妨在彈簧床的床面上放壹塊大石頭來說明這個場景:石頭的重量使繃緊的床面下沈了壹點。雖然彈簧床表面基本是平的，但其中心還是略凹。如果在彈簧床的中央多放些石頭，會有更大的效果，使床面下沈更多。事實上，石頭越多，彈簧床面彎曲越多。
同理，宇宙中的大質量物體會扭曲宇宙的結構。就像10塊石頭比1塊石頭更能彎曲彈簧床壹樣，壹個質量比太陽大得多的天體比壹個質量等於或小於壹個太陽的天體更能彎曲空間。
如果壹個網球在繃緊的彈簧床上滾動，它將沿直線運動。相反，如果它通過壹個凹的地方，它的路徑是弧形的。同理，天體在穿越時空的平坦區時會繼續直線運動，而穿越彎曲區的天體會以彎曲的軌跡運動。
現在我們來看看黑洞對周圍時空區域的影響。想象在彈簧床上放壹塊非常重的石頭來代表壹個非常密集的黑洞。石頭自然會對床面產生很大的影響，不僅會使其表面彎曲下沈，還會導致床面破碎。類似的情況也可以發生在宇宙中。如果宇宙中存在黑洞，那裏的宇宙結構就會被撕裂。這種時空結構的破裂被稱為奇點或時空奇點。
現在讓我們來看看為什麽沒有東西能逃出黑洞。就像網球滾過彈簧床會掉進大石頭形成的深洞壹樣，穿過黑洞的物體會被它的引力陷阱抓住。而且，拯救不吉利的物體需要無限的精力。
正如我們已經說過的，沒有任何東西能進入黑洞並從中逃脫。但科學家認為黑洞會慢慢釋放能量。英國著名物理學家霍金在1974中證明了黑洞具有非零的溫度，並且溫度高於其周圍環境。根據物理學原理，所有溫度高於周圍環境的物體都會釋放熱量，黑洞也不例外。壹個黑洞會發出幾百萬萬億年的能量，黑洞釋放的能量叫做霍金輻射。當黑洞消散了所有的能量，它就會消失。
時空之間的黑洞讓時間變慢，讓空間變得有彈性，同時吞噬壹切穿過它的東西。1969年，美國物理學家約翰·阿蒂·惠勒將這個永不滿足的空間命名為“黑洞”。
我們都知道黑洞是看不見的，因為它不能反射光。在我們的心目中，黑洞可能是遙遠而黑暗的。但英國著名物理學家霍金認為，黑洞並不像大多數人想象的那麽黑。通過科學家的觀測，黑洞周圍有輻射，而且很可能來自黑洞，也就是說黑洞可能沒有想象中的那麽黑。
霍金指出，黑洞的放射性物質來源是壹種固體粒子，在太空中成對產生，不遵循通常的物理規律。而且，這些粒子碰撞後，有的會消失在茫茫太空中。壹般來說，在這些粒子消失之前，我們可能沒有機會看到它們。
霍金還指出，黑洞產生時，真實粒子會相應地成對出現。其中壹個真實粒子會被吸進黑洞，另壹個會逃逸，壹堆逃逸的真實粒子看起來就像光子。對於觀察者來說，看到逃逸的真實粒子就像看到黑洞發出的光線。
所以引用霍金的壹句話“壹個黑洞並沒有想象中的那麽黑”，它其實發射出了大量的光子。
根據愛因斯坦的能量和質量守恒定律。當壹個物體失去能量時，它也失去了質量。黑洞也遵守能量和質量守恒定律。當黑洞失去能量時，它就不存在了。霍金預言，黑洞消失的那壹刻，會產生劇烈的爆炸，釋放出相當於百萬顆氫彈的能量。
但是不要滿懷期待的擡頭，以為會看到煙火表演。其實黑洞爆炸後，釋放的能量非常大，很可能對身體有害。而且釋放能量需要非常長的時間，有的會超過10億年到200億年，比我們宇宙的歷史還要長，能量完全消散需要幾萬億年。
最近，國際天文學家通過美國國家航空航天局斯皮策太空望遠鏡最近的壹次觀測，首次在宇宙的壹個狹窄區域發現了多達21個“類星體”黑洞。
這壹重大發現首次正面證實了多年來天文學領域關於宇宙中廣泛存在大量隱形黑洞的猜測。充分的證據讓人相信，在浩瀚的宇宙中，確實存在著各種未被發現的東西。
目前引力的巨大來源——“類星體”黑洞群。這項最新發現的細節已經發表在2005年8月4日的《自然》雜誌上。
“隱藏”類星體
我們知道，現實中的宇宙黑洞，由於引力極大，連光都被緊緊吸引束縛，所以無法被人直接觀察發現。為了證實黑洞天體存在的證據，天文學家通過研究發現，黑洞周圍物質的行為有其特定的行為:在黑洞周圍的空間中，氣體物質具有超高溫，在被黑洞的強引力場強烈加速後，這些物質會被提升到接近光速後才會完全消失。當氣體被黑洞完全吞噬後，整個過程會釋放出大量的X射線。通常，正是這些逃逸的X射線顯示了這裏黑洞的存在。這是過去人們發現黑洞的最直接證據。
另壹方面，在壹些異常活躍的超大宇宙黑洞周圍，由於它們對周圍物質的強烈吸引和吞噬作用，黑洞恒星周圍會產生壹層厚厚的宇宙氣體和塵埃雲，這進壹步增加了觀測黑洞體周圍區域的難度，阻礙了天文學家發現這些超大黑洞的存在。天文學將這些極其活躍的黑洞定義為類星體。正常情況下，壹個類星體壹年吞噬的總質量相當於1000顆中等恒星的質量之和。壹般來說，這些類星體離太陽系非常遠。當我們觀測到它們的時候，已經是幾億年以後了，這說明這種黑洞的活動出現在宇宙早期。科學家假設這個黑洞是成長中的宇宙星系的前身，因此將其命名為“類星體”。
到目前為止，只發現了幾個“類星體”黑洞。在浩瀚的宇宙中是否還有許多其他類星體有待進壹步發現，天文學家在這方面的研究工作完全依賴於宇宙中X射線的全面觀測和研究。
宇宙“充滿”黑洞
近日，來自英國牛津大學的Arie Martinez-Saint-Singer教授介紹了他首次發現的宇宙隱藏黑洞，他表示，“從之前對宇宙X射線的觀測和研究中，我希望找到宇宙中存在大量隱藏類星體的證據，但結果確實不盡如人意，令人失望。”近日，根據美國國家航空航天局斯皮策太空望遠鏡的最新觀測，天文學家成功穿透了覆蓋類星體黑洞的外層宇宙塵埃雲，並捕獲了隱藏的內部黑洞。由於斯皮策太空望遠鏡能夠有效收集能夠穿透宇宙塵埃層的紅外線，研究人員在非常狹窄的空間區域內成功發現了多達21個類星體黑洞。
來自加州理工學院斯皮策科學中心的研究團隊成員馬克·賴斯(Mark Reiss)在接受媒體采訪時也表示，“如果我們拋棄此次發現的21個宇宙類星體黑洞，而放眼宇宙中的任何其他區域，我們可以大膽預測，大量隱藏的黑洞將會陸續被發現。這意味著，正如我們最初推測的那樣，在未知宇宙的深處，壹定存在著大量超大質量的黑洞巨星，它們在星際塵埃的幫助下，在黑暗中不斷發展壯大。”
黑洞
如果壹團物質的引力場強度強到足以完全彎曲其周圍的時空，以至於任何東西，甚至是光，都無法逃脫，那麽這團物質就被稱為黑洞。沒有太多的物質被壓縮到非常高的密度(比如地球被壓縮到豌豆大小)，或者質量非常大的物質密度更低(比如幾百萬倍太陽質量分布在壹個直徑和太陽系壹樣的球裏，密度大致是水)。
第壹個提出可能存在壹個引力太強光無法逃逸的“黑洞”的人是約翰·米切爾，他是皇家學會的特別會員。他在1783向英國皇家學會陳述了這壹觀點。米切爾的計算是基於牛頓的引力理論和光的粒子理論。前者是當時最好的引力理論。後者把光想象成像小貝殼壹樣的微小粒子流(現在稱為光子)。米切爾認為，這些輕粒子應該像任何其他物體壹樣受到重力的影響。因為奧勒·羅默早在100年前就精確測量了光速，所以米切爾能夠計算出壹個具有太陽密度的天體必須有多大才能使逃逸速度大於光速。
如果有這樣的天體存在，光是逃不掉的，所以應該是黑色的。太陽表面的逃逸速度只有光速的0.2%，但如果我們想象壹系列越來越大的、密度與太陽相同的天體，逃逸速度會迅速增加。米切爾指出，這樣壹個直徑是太陽500倍(類似太陽系大小)的天體的逃逸速度應該超過光速。
皮埃爾·拉普拉斯獨立得出了同樣的結論，並發表在1796上。米切爾在壹篇有先見之明的評論中指出，雖然這樣的天體是看不見的，‘如果碰巧有其他任何發光的天體圍繞它們運行，我們仍然有可能根據這些運行天體的運動來推斷中央天體的存在。換句話說，米切爾認為，如果雙星中存在黑洞，它將最容易被識別出來。然而，這種認為存在黑星的想法在19世紀被遺忘了，直到天文學家意識到黑洞可以通過另壹種方式產生，在討論阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論時才又被提起。
第壹次世界大戰期間在東線服役的天文學家卡爾·史瓦西是最早分析愛因斯坦理論結論的人之壹。廣義相對論將引力解釋為物質附近時空彎曲的結果。史瓦西計算出球形物體周圍時空幾何特征的嚴格數學模型，並發送給愛因斯坦。後者在1916年初將它們提交給了普魯士科學院。這些計算表明,“任何”質量都有壹個臨界半徑，現在稱為史瓦西半徑，它對應於時空的壹種極端變形，因此如果質量被擠壓在臨界半徑內，空間將圍繞物體彎曲，並將其與宇宙的其余部分切斷。它實際上變成了壹個獨立的宇宙，任何東西(光)。
對太陽來說，史瓦西半徑是壹千米，對地球來說，等於0.88厘米。這並不意味著在太陽或地球的中心存在現在被稱為黑洞的東西(這個術語最早是由約翰·惠勒在1967年使用的)。在這個距離天體中心的地方，時空沒有任何異常。史瓦西的計算表明，如果太陽被擠壓成壹個半徑為2.9公裏的球體，或者，如果地球被擠壓成壹個半徑只有0.88厘米的球體，它們將在黑洞中永遠與外部宇宙隔絕。物質仍然可以落入這樣的黑洞，但沒有什麽可以逃脫。
這些結論幾十年來壹直被視為純粹的數學寶藏，因為沒有人認為真實和真實的物體可以坍縮到形成黑洞所需的極端密度。白矮星在1920年代開始為人所知，但即使是白矮星，其質量也與太陽大致相同，但大小與地球相同，其半徑也遠遠大於3公裏。人們也沒能及時意識到，如果存在大量普通密度的物質，就可以創造出壹個與米切爾和拉普拉斯所想象的本質相同的黑洞。對應於任意質量m的史瓦西半徑由公式2GM/c2給出，其中g是引力常數。c是光速。
在1930年代，Braman Chandrasekhar證明了即使是白矮星，也只有當它的質量小於太陽的1.4倍時才是穩定的，任何死星如果比這個更重，都會進壹步坍縮。壹些研究人員認為這可能導致形成中子星的可能性。中子星的典型半徑只有白矮星的1/700左右，也就是幾千米。然而，這個想法並沒有被廣泛接受，直到1960年代中期發現了脈沖星，證明了中子星的存在。
這重新點燃了人們對黑洞理論的興趣，因為中子星幾乎正在變成黑洞。雖然很難想象把太陽壓縮到半徑不到2.9公裏，但現在已經知道存在與太陽質量相同、半徑不到10公裏的中子星，而且中子星到黑洞只有壹步之遙。
理論研究表明，黑洞的行為只由它的三個特征定義——質量、電荷和旋轉(角動量)。沒有電荷和旋轉的黑洞由愛因斯坦方程的史瓦西解描述。帶電荷且不旋轉的黑洞用Reisner-Nordstrom解描述。沒有電荷和旋轉的黑洞用克爾解描述。帶有電荷和旋轉的黑洞用克爾-紐曼解描述。黑洞沒有其他特征，這已經被‘黑洞無毛’這句名言概括了。真正的黑洞應該是不帶電荷旋轉的，所以克爾解是最有趣的。
現在認為黑洞和中子星都是在外延星超新星爆發的垂死掙紮中產生的。計算表明，任何質量小於太陽質量3倍(《奧本海默》-沃科夫極限)的致密超新星遺跡都可以形成穩定的中子星，但任何質量大於這壹極限的致密超新星遺跡都將坍縮成黑洞，其內容物將被壓入黑洞中心的奇點，這正是宇宙誕生的大爆炸奇點的鏡像反演。如果這樣的天體恰好在普通恒星周圍的軌道上，它會剝奪伴星的物質，形成壹個由收集到黑洞中的熱物質組成的吸積盤。吸積盤中的溫度可以高到可以輻射X射線，從而可以探測到黑洞。
1970年代初，米切爾的預言得到了呼應:在壹個雙星系統中發現了這樣壹個天體。壹個叫做天鵝座X-1的X射線源被證明是恒星HDE226868。這個系統的軌道動力學特征表明，這個源的X射線來自可見恒星周圍軌道上壹個比地球小的天體，但源的質量大於《奧本海默》-沃爾科夫極限。這只能是壹個黑洞。從那以後，其他幾個黑洞也用同樣的方法被發現了。1994年，天鵝座V404成為迄今為止最好的黑洞‘候選者’，這是壹個質量為太陽70%的恒星圍繞質量約為太陽12倍的X射線源運動的系統。然而，這些公認的黑洞很可能只是冰山壹角。
米切爾意識到，這樣的“恒星質量”黑洞只有在雙星系統中才能被探測到。壹個孤立的黑洞名副其實——它是黑暗的，不可探測的。然而，根據天體物理學的理論，許多恒星最終應該是中子星或黑洞。觀測者實際上在雙星系統中探測到的合適黑洞候選體幾乎與他們在脈沖雙星系統中發現的壹樣多，這意味著孤立恒星質量黑洞的數量應該與孤立脈沖星的數量相同，這壹點得到了理論計算的支持。在我們的銀河系中，現在已知大約有500顆活躍的脈沖星。但理論表明，脈沖星作為射電源的活躍期很短，很快就坍縮成不可探測的安靜狀態。因此，我們周圍相應地應該會有更多的‘死’脈沖星(安靜中子星)。我們的銀河指彈包含100億顆明亮的恒星，它已經存在了數十億年。最好的估計是，我們的銀河指狀物今天包含了4億顆死脈沖星，即使是恒星質量黑洞數量的保守估計也達到這個數字？-1億。如果黑洞真的有這麽多，而且黑洞不規則地散布在銀河系中，那麽最近的黑洞距離我們只有15光年。由於我們的星系沒有什麽獨特之處，所以宇宙中的其他星系應該包含相同數量的黑洞。集成電路
星系也可能包含壹些與米切爾的拉普拉斯最初設想的“黑星”非常相似的東西。這種天體現在被稱為‘超大質量黑洞’，被認為存在於活動星系和類星體的中心，它們提供的引力能量可能解釋了這些天體的巨大能量來源。壹個大小相當於太陽系、質量是太陽數百萬倍的黑洞，每年可以從其周圍吞噬壹兩顆恒星。在這個過程中，恒星質量的很大壹部分會按照愛因斯坦的分工E=mc2轉化為能量。安靜的超大質量黑洞可能存在於所有星系的中心，包括我們的銀河系。
1994年，利用哈勃太空望遠鏡，在距離我們銀河系15百萬秒差距的星系M87中發現了壹個大小約為15百萬秒差距的熱物質盤。它以大約每小時200萬公裏(大約5*10-7 5乘以15)的速度繞著星系中心運動。從M87的中心‘引擎’噴出壹股長度超過65，438+0千秒差距的氣體噴流。M87中央吸積盤中的軌道速度確鑿地證明了它處於壹個質量為太陽30億倍的超大質量黑洞的引力控制之下，噴流可以解釋為從吸積系統的壹個極區湧出的能量。
同樣在1994年，來自牛津大學和基爾大學的天文學家在壹個名為天鵝座V404的雙星系統中發現了壹個恒星質量黑洞。我們已經指出，系統的軌道參數使它們能夠精確地‘稱量’黑洞，並得出結論，黑洞的質量大約是太陽的12倍，而圍繞它運動的普通恒星的質量只有太陽的70%左右。這是迄今為止對黑星質量最精確測量，因此也是黑洞存在的最好和唯壹的證明。
有人推測，大爆炸中可能產生了大量的微型黑洞或原始黑洞，它們提供了宇宙相當壹部分的質量。這種微型黑洞的典型大小相當於壹個原子，質量約為65438+億噸(10-11，10，11公斤)。沒有證據表明這樣的天體確實存在，但也很難證明它們不存在。