黑洞是如何形成的？
根据广义相对论，引力场会弯曲时空。当恒星较大时，其引力场对时空的影响很小，恒星表面某一点发出的光可以直线向任意方向发射。恒星的半径越小，对周围时空的弯曲作用越大，在某些角度发出的光会沿着弯曲的空间返回到恒星表面。
当恒星的半径小到一个特定值(天文学上称之为“史瓦西半径”)时，甚至连垂直面发出的光都被捕捉到了。这时，恒星变成了黑洞。说它“黑”，就是说它像宇宙中的无底洞。任何物质一旦掉进去，似乎都逃不掉。其实黑洞真的是“看不见”的，这个我们后面会讲到。
那么，黑洞是如何形成的呢？事实上，和白矮星、中子星一样，黑洞很可能是由恒星演化而来的。
我们已经详细介绍了白矮星和中子星的形成过程。当恒星老化时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料(氢)，中心产生的能量也快用完了。这样，它就不再有足够的强度来承受外壳的巨大重量。因此，在外壳的沉重压力下，核心开始坍塌，直到最后形成一个小而致密的恒星，它能够再次平衡压力。
质量较小的恒星主要演化成白矮星，质量较大的恒星可能形成中子星。根据科学家的计算，中子星的总质量不可能大于太阳质量的三倍。如果超过这个值，就没有与自身引力抗衡的力，就会导致另一次大坍缩。
这一次，根据科学家的猜测，物质将无情地向中心点行进，直到成为一个体积为零、密度无穷大的“点”。而一旦它的半径收缩到一定程度(史瓦西半径)，就像我们上面提到的，巨大的引力使得连光都射不出去，从而切断了恒星与外界的一切联系——一个“黑洞”诞生了。
与其他天体相比，黑洞太特殊了。比如黑洞具有不可见性，人们无法直接观察到，甚至科学家也只能对其内部结构做出各种猜测。那么，黑洞是如何隐藏自己的呢？答案是——弯曲空间。众所周知，光是直线传播的。这是一个基本常识。但是根据广义相对论，空间在引力场的作用下会发生弯曲。此时，虽然光仍然沿着任意两点间最短的距离传播，但不是直线，而是曲线。形象地说，似乎光本来应该是直线前进的，但是强大的引力把它拉离了原来的方向。
在地球上，因为引力场很小，所以这种弯曲很小。在黑洞周围，这种空间变形非常大。这样，即使恒星发出的光被黑洞遮挡，虽然一部分会落入黑洞消失，但另一部分光会在弯曲的空间中绕过黑洞到达地球。所以我们很容易观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样。这就是黑洞的隐形性。
更有趣的是，一些恒星不仅直接向地球发送光能，还会向其他方向发送光线，这些光线可能会被附近黑洞的强大引力折射而到达地球。这样，我们不仅能看到这颗星星的“脸”，还能看到它的侧面，甚至它的背面！
“黑洞”无疑是本世纪最具挑战性和最令人兴奋的天文理论之一。许多科学家都在努力揭开它的神秘面纱，新的理论不断提出。但是，这些当代天体物理学的最新成果，在这里不是三言两语就能说清楚的。感兴趣的朋友可以参考特别的作品。
黑洞
黑洞是一个引力很强的地方，任何东西都无法从中逃脱，即使是光。黑洞可以从大质量恒星的“死亡”中产生。当大质量恒星耗尽核燃料并达到最终演化状态时，恒星会变得不稳定，并在引力的作用下坍缩，死星的重量会被猛烈地向四面八方向内挤压。当引力大到没有其他斥力对抗时，恒星就会被压成一个孤立的点，称为“奇点”。
关于黑洞结构的细节可以通过爱因斯坦的广义相对论计算出来，广义相对论解释了引力使空间弯曲，时钟变慢。奇点是黑洞的中心，周围有很强的引力。通常，黑洞的表面被称为视界，或事件视界，或“静态球形黑洞的史瓦西半径”。它是那些时空事件之间的界限，这些时空事件可以与遥远的事件进行通信，而那些时空事件因为信号被强引力场捕获而无法传输。在事件视界之下，逃逸速度大于光速。这是一种尚未被人类观测和证实的天体现象，但已经被霍金等一些理论天文学家在数学模型中很好地研究过。
洞穴中隐藏着一个巨大的引力场，这个引力场是如此之大，以至于任何东西，甚至是光，都逃不出黑洞的手掌心。黑洞不会让其边界内的任何东西被外界看到，这也是这类物体被称为“黑洞”的原因。我们无法通过光的反射来观察它，只能通过周围受其影响的物体来间接了解黑洞。据推测，黑洞是死亡恒星或爆炸气团的残余，是在一颗特殊的大质量超巨星坍缩时产生的。
因为黑洞是看不见的，所以一直有人质疑黑洞是否真的存在。如果他们真的存在，他们在哪里？
黑洞的过程类似于中子星。恒星的核心在自身重量的作用下迅速收缩，剧烈爆炸。当核心的所有物质都变成中子时，收缩过程立即停止，被压缩成一个致密的星球。但在黑洞的情况下，由于星核的质量如此之大，以至于收缩过程无休止地进行，中子本身在挤压引力本身的吸引下被磨成粉末，剩下的就是密度难以想象的物质。任何靠近它的东西都会被它吸进去，黑洞会变得像吸尘器一样。
为了理解黑洞的动力学以及它们如何阻止内部的一切逃离边界，我们需要讨论广义相对论。广义相对论是爱因斯坦创立的引力理论，适用于行星、恒星和黑洞。爱因斯坦在1916提出的这个理论，说明了空间和时间是如何被大质量物体的存在所扭曲的。简而言之，广义相对论说物质会弯曲空间，空间的弯曲反过来会影响穿过空间的物体的运动。
让我们看看爱因斯坦的模型是如何工作的。首先考虑时间(空间的三维是长、宽、高)是现实世界中的第四维(虽然很难画出通常三个方向之外的另一个方向，但可以尽量想象)。其次，考虑时空是体操表演用的一张巨大绷紧的弹簧床的床面。
爱因斯坦的理论认为质量会弯曲时间和空间。我们不妨在弹簧床的床面上放一块大石头来说明这个场景:石头的重量使绷紧的床面下沉了一点。虽然弹簧床表面基本是平的，但其中心还是略凹。如果在弹簧床的中央多放些石头，会有更大的效果，使床面下沉更多。事实上，石头越多，弹簧床面弯曲越多。
同理，宇宙中的大质量物体会扭曲宇宙的结构。就像10块石头比1块石头更能弯曲弹簧床一样，一个质量比太阳大得多的天体比一个质量等于或小于一个太阳的天体更能弯曲空间。
如果一个网球在绷紧的弹簧床上滚动，它将沿直线运动。相反，如果它通过一个凹的地方，它的路径是弧形的。同理，天体在穿越时空的平坦区时会继续直线运动，而穿越弯曲区的天体会以弯曲的轨迹运动。
现在我们来看看黑洞对周围时空区域的影响。想象在弹簧床上放一块非常重的石头来代表一个非常密集的黑洞。石头自然会对床面产生很大的影响，不仅会使其表面弯曲下沉，还会导致床面破碎。类似的情况也可以发生在宇宙中。如果宇宙中存在黑洞，那里的宇宙结构就会被撕裂。这种时空结构的破裂被称为奇点或时空奇点。
现在让我们来看看为什么没有东西能逃出黑洞。就像网球滚过弹簧床会掉进大石头形成的深洞一样，穿过黑洞的物体会被它的引力陷阱抓住。而且，拯救不吉利的物体需要无限的精力。
正如我们已经说过的，没有任何东西能进入黑洞并从中逃脱。但科学家认为黑洞会慢慢释放能量。英国著名物理学家霍金在1974中证明了黑洞具有非零的温度，并且温度高于其周围环境。根据物理学原理，所有温度高于周围环境的物体都会释放热量，黑洞也不例外。一个黑洞会发出几百万万亿年的能量，黑洞释放的能量叫做霍金辐射。当黑洞消散了所有的能量，它就会消失。
时空之间的黑洞让时间变慢，让空间变得有弹性，同时吞噬一切穿过它的东西。1969年，美国物理学家约翰·阿蒂·惠勒将这个永不满足的空间命名为“黑洞”。
我们都知道黑洞是看不见的，因为它不能反射光。在我们的心目中，黑洞可能是遥远而黑暗的。但英国著名物理学家霍金认为，黑洞并不像大多数人想象的那么黑。通过科学家的观测，黑洞周围有辐射，而且很可能来自黑洞，也就是说黑洞可能没有想象中的那么黑。
霍金指出，黑洞的放射性物质来源是一种固体粒子，在太空中成对产生，不遵循通常的物理规律。而且，这些粒子碰撞后，有的会消失在茫茫太空中。一般来说，在这些粒子消失之前，我们可能没有机会看到它们。
霍金还指出，黑洞产生时，真实粒子会相应地成对出现。其中一个真实粒子会被吸进黑洞，另一个会逃逸，一堆逃逸的真实粒子看起来就像光子。对于观察者来说，看到逃逸的真实粒子就像看到黑洞发出的光线。
所以引用霍金的一句话“一个黑洞并没有想象中的那么黑”，它其实发射出了很多光子。
根据爱因斯坦的能量和质量守恒定律。当一个物体失去能量时，它也失去了质量。黑洞也遵守能量和质量守恒定律。当黑洞失去能量时，它就不存在了。霍金预言，黑洞消失的那一刻，会产生剧烈的爆炸，释放出相当于百万颗氢弹的能量。
但是不要满怀期待的抬头，以为会看到烟火表演。其实黑洞爆炸后，释放的能量非常大，很可能对身体有害。而且释放能量需要非常长的时间，有的会超过10亿年到200亿年，比我们宇宙的历史还要长，能量完全消散需要几万亿年。
最近，国际天文学家通过美国国家航空航天局斯皮策太空望远镜最近的一次观测，首次在宇宙的一个狭窄区域发现了多达21个“类星体”黑洞。
这一重大发现首次正面证实了多年来天文学领域关于宇宙中广泛存在大量隐形黑洞的猜测。充分的证据让人相信，在浩瀚的宇宙中，确实存在着各种未被发现的东西。
目前引力的巨大来源——“类星体”黑洞群。这项最新发现的细节已经发表在2005年8月4日的《自然》杂志上。
“隐藏”类星体
我们知道，现实中的宇宙黑洞，由于引力极大，连光都被紧紧吸引束缚，所以无法被人直接观察发现。为了证实黑洞天体存在的证据，天文学家通过研究发现，黑洞周围物质的行为有其特定的行为:在黑洞周围的空间中，气体物质具有超高温，在被黑洞的强引力场强烈加速后，这些物质会被提升到接近光速后才会完全消失。当气体被黑洞完全吞噬后，整个过程会释放出大量的X射线。通常，正是这些逃逸的X射线显示了这里黑洞的存在。这是过去人们发现黑洞的最直接证据。
另一方面，在一些异常活跃的超大宇宙黑洞周围，由于它们对周围物质的强烈吸引和吞噬作用，黑洞恒星周围会产生一层厚厚的宇宙气体和尘埃云，这进一步增加了观测黑洞体周围区域的难度，阻碍了天文学家发现这些超大黑洞的存在。天文学将这些极其活跃的黑洞定义为类星体。正常情况下，一个类星体一年吞噬的总质量相当于1000颗中等恒星的质量之和。一般来说，这些类星体离太阳系非常远。当我们观测到它们的时候，已经是几亿年以后了，这说明这种黑洞的活动出现在宇宙早期。科学家假设这个黑洞是成长中的宇宙星系的前身，因此将其命名为“类星体”。
到目前为止，只发现了几个“类星体”黑洞。在浩瀚的宇宙中是否还有许多其他类星体有待进一步发现，天文学家在这方面的研究工作完全依赖于宇宙中X射线的全面观测和研究。
宇宙“充满”黑洞
近日，来自英国牛津大学的Arie Martinez-Saint-Singer教授介绍了他首次发现的宇宙隐藏黑洞，他表示，“从之前对宇宙X射线的观测和研究中，我希望找到宇宙中存在大量隐藏类星体的证据，但结果确实不尽如人意，令人失望。”近日，根据美国国家航空航天局斯皮策太空望远镜的最新观测，天文学家成功穿透了覆盖类星体黑洞的外层宇宙尘埃云，并捕获了隐藏的内部黑洞。由于斯皮策太空望远镜能够有效收集能够穿透宇宙尘埃层的红外线，研究人员在非常狭窄的空间区域内成功发现了多达21个类星体黑洞。
来自加州理工学院斯皮策科学中心的研究团队成员马克·赖斯(Mark Reiss)在接受媒体采访时也表示，“如果我们抛弃此次发现的21个宇宙类星体黑洞，而放眼宇宙中的任何其他区域，我们可以大胆预测，大量隐藏的黑洞将会陆续被发现。这意味着，正如我们最初推测的那样，在未知宇宙的深处，一定存在着大量超大质量的黑洞巨星，它们在星际尘埃的帮助下，在黑暗中不断发展壮大。”
黑洞
如果一团物质的引力场强度强到足以完全弯曲其周围的时空，以至于任何东西，甚至是光，都无法逃脱，那么这团物质就被称为黑洞。没有太多的物质被压缩到非常高的密度(比如地球被压缩到豌豆大小)，或者质量非常大的物质密度更低(比如几百万倍太阳质量分布在一个直径和太阳系一样的球里，密度大致是水)。
第一个提出可能存在一个引力太强光无法逃逸的“黑洞”的人是约翰·米切尔，他是皇家学会的特别会员。他在1783向英国皇家学会陈述了这一观点。米切尔的计算是基于牛顿的引力理论和光的粒子理论。前者是当时最好的引力理论。后者把光想象成像小贝壳一样的微小粒子流(现在称为光子)。米切尔认为，这些轻粒子应该像任何其他物体一样受到重力的影响。因为奥勒·罗默早在100年前就精确测量了光速，所以米切尔能够计算出一个具有太阳密度的天体必须有多大才能使逃逸速度大于光速。
如果有这样的天体存在，光是逃不掉的，所以应该是黑色的。太阳表面的逃逸速度只有光速的0.2%，但如果我们想象一系列越来越大的、密度与太阳相同的天体，逃逸速度会迅速增加。米切尔指出，这样一个直径是太阳500倍(类似太阳系大小)的天体的逃逸速度应该超过光速。
皮埃尔·拉普拉斯独立得出了同样的结论，并发表在1796上。米切尔在一篇有先见之明的评论中指出，虽然这样的天体是看不见的，‘如果碰巧有其他任何发光的天体围绕它们运行，我们仍然有可能根据这些运行天体的运动来推断中央天体的存在。换句话说，米切尔认为，如果双星中存在黑洞，它将最容易被识别出来。然而，这种认为存在黑星的想法在19世纪被遗忘了，直到天文学家意识到黑洞可以通过另一种方式产生，在讨论阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论时才又被提起。
第一次世界大战期间在东线服役的天文学家卡尔·史瓦西是最早分析爱因斯坦理论结论的人之一。广义相对论将引力解释为物质附近时空弯曲的结果。史瓦西计算出球形物体周围时空几何特征的严格数学模型，并发送给爱因斯坦。后者在1916年初将它们提交给了普鲁士科学院。这些计算表明,“任何”质量都有一个临界半径，现在称为史瓦西半径，它对应于时空的一种极端变形，因此如果质量被挤压在临界半径内，空间将围绕物体弯曲，并将其与宇宙的其余部分切断。它实际上变成了一个独立的宇宙，任何东西(光)。
对太阳来说，史瓦西半径是一千米，对地球来说，等于0.88厘米。这并不意味着在太阳或地球的中心存在现在被称为黑洞的东西(这个术语最早是由约翰·惠勒在1967年使用的)。在这个距离天体中心的地方，时空没有任何异常。史瓦西的计算表明，如果太阳被挤压成一个半径为2.9公里的球体，或者，如果地球被挤压成一个半径只有0.88厘米的球体，它们将在黑洞中永远与外部宇宙隔绝。物质仍然可以落入这样的黑洞，但没有什么可以逃脱。
这些结论几十年来一直被视为纯粹的数学宝藏，因为没有人认为真实和真实的物体可以坍缩到形成黑洞所需的极端密度。白矮星在1920年代开始为人所知，但即使是白矮星，其质量也与太阳大致相同，但大小与地球相同，其半径也远远大于3公里。人们也没能及时意识到，如果存在大量普通密度的物质，就可以创造出一个本质上与米切尔和拉普拉斯所想象的一样的黑洞。对应于任意质量m的史瓦西半径由公式2GM/c2给出，其中g是引力常数。c是光速。
在1930年代，Braman Chandrasekhar证明了即使是白矮星，也只有当它的质量小于太阳的1.4倍时才是稳定的，任何死星如果比这个更重，都会进一步坍缩。一些研究人员认为这可能导致形成中子星的可能性。中子星的典型半径只有白矮星的1/700左右，也就是几千米。然而，这个想法并没有被广泛接受，直到1960年代中期发现了脉冲星，证明了中子星的存在。
这重新点燃了人们对黑洞理论的兴趣，因为中子星几乎正在变成黑洞。虽然很难想象把太阳压缩到半径不到2.9公里，但现在已经知道存在与太阳质量相同、半径不到10公里的中子星，而且中子星到黑洞只有一步之遥。
理论研究表明，黑洞的行为只由它的三个特征定义——质量、电荷和旋转(角动量)。没有电荷和旋转的黑洞由爱因斯坦方程的史瓦西解描述。带电荷且不旋转的黑洞用Reisner-Nordstrom解描述。没有电荷和旋转的黑洞用克尔解描述。带有电荷和旋转的黑洞用克尔-纽曼解描述。黑洞没有其他特征，这已经被‘黑洞无毛’这句名言概括了。真正的黑洞应该是不带电荷旋转的，所以克尔解是最有趣的。
现在认为黑洞和中子星都是在外延星超新星爆发的垂死挣扎中产生的。计算表明，任何质量小于太阳质量3倍(《奥本海默》-沃科夫极限)的致密超新星遗迹都可以形成稳定的中子星，但任何质量大于这一极限的致密超新星遗迹都将坍缩成黑洞，其内容物将被压入黑洞中心的奇点，这正是宇宙诞生的大爆炸奇点的镜像反演。如果这样的天体恰好在普通恒星周围的轨道上，它会剥夺伴星的物质，形成一个由收集到黑洞中的热物质组成的吸积盘。吸积盘中的温度可以高到可以辐射X射线，从而可以探测到黑洞。
1970年代初，米切尔的预言得到了呼应:在一个双星系统中发现了这样一个天体。一个叫做天鹅座X-1的X射线源被证明是恒星HDE226868。这个系统的轨道动力学特征表明，这个源的X射线来自可见恒星周围轨道上一个比地球小的天体，但源的质量大于《奥本海默》-沃尔科夫极限。这只能是一个黑洞。从那以后，其他几个黑洞也用同样的方法被发现了。1994年，天鹅座V404成为迄今为止最好的黑洞‘候选者’，这是一个质量为太阳70%的恒星围绕质量约为太阳12倍的X射线源运动的系统。然而，这些公认的黑洞很可能只是冰山一角。
米切尔意识到，这样的“恒星质量”黑洞只有在双星系统中才能被探测到。一个孤立的黑洞名副其实——它是黑暗的，不可探测的。然而，根据天体物理学的理论，许多恒星最终应该是中子星或黑洞。观测者实际上在双星系统中探测到的合适黑洞候选体几乎与他们在脉冲双星系统中发现的一样多，这意味着孤立恒星质量黑洞的数量应该与孤立脉冲星的数量相同，这一点得到了理论计算的支持。在我们的银河系中，现在已知大约有500颗活跃的脉冲星。但理论表明，脉冲星作为射电源的活跃期很短，很快就坍缩成不可探测的安静状态。因此，我们周围相应地应该会有更多的‘死’脉冲星(安静中子星)。我们的银河指弹包含100亿颗明亮的恒星，它已经存在了数十亿年。最好的估计是，我们的银河指状物今天包含了4亿颗死脉冲星，即使是恒星质量黑洞数量的保守估计也达到这个数字？-1亿。如果黑洞真的有这么多，而且黑洞不规则地散布在银河系中，那么最近的黑洞距离我们只有15光年。由于我们的星系没有什么独特之处，所以宇宙中的其他星系应该包含相同数量的黑洞。集成电路
星系也可能包含一些与米切尔的拉普拉斯最初设想的“黑星”非常相似的东西。这种天体现在被称为‘超大质量黑洞’，被认为存在于活动星系和类星体的中心，它们提供的引力能量可能解释了这些天体的巨大能量来源。一个大小相当于太阳系、质量是太阳数百万倍的黑洞，每年可以从其周围吞噬一两颗恒星。在这个过程中，恒星质量的很大一部分会按照爱因斯坦的分工E=mc2转化为能量。安静的超大质量黑洞可能存在于所有星系的中心，包括我们的银河系。
1994年，利用哈勃太空望远镜，在距离我们银河系15百万秒差距的星系M87中发现了一个大小约为15百万秒差距的热物质盘。它以大约每小时200万公里(大约5*10-7 5乘以15)的速度绕着星系中心运动。从M87的中心‘引擎’喷出一股长度超过65，438+0千秒差距的气体喷流。M87中央吸积盘中的轨道速度确凿地证明了它处于一个质量为太阳30亿倍的超大质量黑洞的引力控制之下，喷流可以解释为从吸积系统的一个极区涌出的能量。
同样在1994年，来自牛津大学和基尔大学的天文学家在一个名为天鹅座V404的双星系统中发现了一个恒星质量黑洞。我们已经指出，系统的轨道参数使它们能够精确地‘称量’黑洞，并得出结论，黑洞的质量大约是太阳的12倍，而围绕它运动的普通恒星的质量只有太阳的70%左右。这是迄今为止对黑星质量最精确测量，因此也是黑洞存在的最好和唯一的证明。
有人推测，大爆炸中可能产生了大量的微型黑洞或原始黑洞，它们提供了宇宙相当一部分的质量。这种微型黑洞的典型大小相当于一个原子，质量约为65438+亿吨(10-11，10，11公斤)。没有证据表明这样的天体确实存在，但也很难证明它们不存在。