克爾紐曼黑洞圖：M87星係核以及係外噴流中明亮的結（1999年～2006年哈勃空間望遠鏡紫外圖像）。這個結（稱為HST-1）的亮度不斷變化，甚至比M87本身還要亮。圖源自NASA 2009. 轉動且帶電荷的黑洞，叫做克爾-紐曼黑洞。這種結構的黑洞視界和無限紅移麵會分開，而且視界會分為兩個（外視界r 和內視界r-），無限紅移麵也會分裂為兩個（rs 和rs-）。外視界和無限紅移麵之間的區域叫做能層，有能量儲存在那裏。越過外無限紅移麵的物體仍有可能逃離黑洞，這是因為能層還不是單向膜區。單向膜區內，r為時間，s是空間。穿過外視界進入單向膜區的物體，將隻能向前，穿過內視界進入黑洞內部。內視界以裏的區域不是單向膜區，那裏有一個“奇環”，也就是時間終止的地方。物體可以在內視界內自由運動，由於奇環產生斥力，物體不會撞上奇環，不過，奇環附近有一個極為有趣的時空區，在那裏存在“閉合類時線”，沿這種時空曲線運動的物體可以不斷地回到自己的過去。超大質量黑洞黑洞吸積巨大恒星宇宙中絕大部分星係，包括我們居住的銀河係的中心都隱藏著一個超大質量黑洞。這些黑洞質量大小不一，大約100萬～400億個太陽質量。天文學家們通過探測黑洞周圍吸積盤發出的強烈輻射和熱量 推斷這些黑洞的存在。物質在受到強烈黑洞引力下落時，會在其周圍形成吸積盤盤旋下降，在這一過程中勢能迅速釋放，將物質加熱到極高的溫度，從而發出強烈輻射。黑洞通過吸積方式吞噬周圍物質，這是它的成長方式之一。圖：黑洞想象圖，在我們所居住銀河係的中心部位，所有銀河係的恒星都圍繞銀心部位的一個超大質量黑洞公轉。一般認為，超大質量黑洞主要有幾種可能的來源：一是宇宙早期的巨型分子雲直接坍縮成約十萬倍太陽質量的種子黑洞；二是宇宙第一代超大質量恒星死亡後坍縮成約10～100個太陽質量的種子黑洞。隨著種子黑洞不斷吸積以及兩個種子黑洞的並合，最終成長為超大質量黑洞。超大質量黑洞平均密度可以很低，甚至比空氣密度還要低。這是因為史瓦西半徑與其質量成正比，而密度則與體積成反比。由於球體（如非旋轉黑洞的事件視界）體積是與半徑立方成正比，而質量差不多以直線增長，體積增長率則會更大。故此，密度會隨黑洞半徑增長而減少。2023年5月24日，美國的詹姆斯·韋布空間望遠鏡（James Webb Space Telescope，簡稱JWST）和錢德拉X射線天文台（Chandra X-ray Observatory）認證了迄今觀測的最遙遠的黑洞，距地球約132億光年，質量約太陽的1000萬～1億倍，與它所在宿主星係的所有恒星質量之和相當。而近鄰宇宙的超大質量黑洞一般僅占其宿主星係質量的0.1%。它位於UHZ1星係的中心，由於Abell 2744星係團夾在它與地球之間，通過引力透鏡放大了UHZ1星係發出的紅外線及黑洞周圍氣體發出的X射線，才能被我們觀測到。這一超大質量黑洞在宇宙大爆炸後僅僅4.7億年就形成了，如果是第一代恒星坍縮形成的黑洞，其年齡不足以成長為如此巨大的黑洞，因此傾向於證明宇宙第一代黑洞來源於氣體雲的直接坍縮。該成果已發表到《自然·天文學》雜誌上。[4]目前人類直接觀測的最大質量黑洞是TON 618。這個龐然大物擁有大約660億個太陽質量。它所形成的陰影區域（進入該區域的光線被嚴重偏折，大小約2倍事件視界），光需要幾周才能走完。[7]中等質量黑洞20世紀90年代以來，天文學家陸續在遙遠星係中發現了一批X射線光度極高的天體，它們可能是人們一直尋找的中等質量黑洞，也可能是具有特殊輻射機製的幾個或幾十個太陽質量的恒星級黑洞。國際天文和天體物理界對此一直難以定論。中等質量黑洞介於恒星級黑洞和超大質量黑洞之間，質量為太陽的100到100萬倍。[MOU2] 由於這類天體距離我們十分遙遠，通常為幾千萬光年，同時X射線照射黑洞吸積盤而產生的光汙染也非常強，因此測量極其困難。2020年11月，激光幹涉儀引力波天文台-室女座引力波探測器（LIGO-Virgo）合作組宣布，他們首次探測到了一個中等質量的黑洞產生的引力波。這項由超過1500名研究人員參與的引力波探測研究顯示，約70億年前，質量分別為太陽的66倍和85倍的兩個黑洞，在發生激烈碰撞後，形成了一個新的中等質量黑洞。這也是人類迄今探測到的首個中等質量黑洞。此次探測到的中等質量黑洞其質量是太陽的142倍。 [8]恒星級黑洞2019年11月28日淩晨，國際科學期刊《自然》發布了中國科學院國家天文台團隊的一項重大發現。[9]依托我國自主研製的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST），研究團隊發現了一顆迄今為止質量最大的恒星級黑洞，並提供了一種利用LAMOST巡天優勢尋找黑洞的新方法。這顆70倍太陽質量的黑洞超過了理論預言的恒星質量黑洞的質量上限 [10]，顛覆了人們對恒星級黑洞形成的認知，有望推動恒星演化和黑洞形成理論的革新。2020年4月29日，《自然》雜誌的一篇文章質疑其沒有黑洞質量大於50倍太陽質量的確鑿證據。[11]隨後，發現該黑洞的團隊回複稱：觀測數據仍然傾向於該黑洞擁有23~65倍太陽質量。[12]探索曆史早年探索1970年，美國的“自由”號人造衛星發現了與其他射線源不同的天鵝座X-1，位於天鵝座X-1上的是一個比太陽重30多倍的巨大藍色星球，該星球被一個重約21個太陽質量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，它就是人類發現的第一個黑洞。1928年，天體物理學家蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）到英國劍橋師從英國天文學家亞瑟·愛丁頓爵士（Arthur Eddington）學習。錢德拉塞卡意識到，泡利不相容原理所能提供的排斥力有一個極限。恒星中的粒子的最大速度差被相對論限製為光速。這意味著，當恒星質量足夠大時，由不相容原理引起的排斥力就會比引力的作用小。錢德拉塞卡計算出；一個大約為太陽質量1.4倍的冷的恒星不能支持自身以抵抗自己的引力（該質量稱為錢德拉塞卡極限）。前蘇聯科學家列夫·達維多維奇·朗道（Lev Davidovich Landau）幾乎在同時也發現了類似的結論。如果一顆恒星的質量比錢德拉塞卡極限小，它最後會停止收縮並終於變成一顆半徑為幾千英裏和密度為每立方英寸幾百噸的“白矮星”。白矮星是它物質中電子之間的不相容原理排斥力所支持的。第一顆被觀察到的白矮星是天狼星（夜空中最亮的恒星）的一顆伴星（天狼星B）。朗道還指出，對於恒星還存在另一可能的終態。其極限質量大約也為太陽質量的一倍到兩倍，但是其體積甚至比白矮星還小得多。這些恒星是由中子和質子之間，而不是電子之間的不相容原理排斥力所支持。所以它們被叫做中子星。它們的半徑隻有10英裏左右，密度為每立方英寸幾億噸。在中子星被第一次預言時，並沒有任何方法去觀察它，很久以後人們才發現了高速旋轉並發出周期性信號的中子星——脈衝星。1967年，劍橋的一位研究生約瑟琳·貝爾（Jocelyn Bell）發現了天空發射出無線電波的規則脈衝的物體，這對黑洞的存在的預言帶來了進一步的鼓舞。起初貝爾和她的導師安東尼·赫維許以為，他們可能和我們星係中的外星文明進行了接觸。在宣布他們發現的討論會上，他們將這四個最早發現的源稱為LGM1－4，LGM表示“小綠人”（“Little Green Man”）的意思。最終他們和所有其他人的結論是這些被稱為脈衝星的物體，事實上是旋轉的中子星。另一方麵，質量比錢德拉塞卡極限還大的恒星在耗盡其燃料時，會出現一個很大的問題：在某種情形下，它們會爆炸或拋出足夠的物質，使自己的質量減少到極限之下，以避免災難性的引力開始坍縮，不管恒星有多大，這總會發生。愛丁頓拒絕相信錢德拉塞卡的結果。愛丁頓認為，一顆恒星不可能坍縮成一點。這是大多數科學家的觀點：愛因斯坦自己寫了一篇論文，宣布恒星的體積不會收縮為零。其他科學家，尤其是他以前的老師、恒星結構的主要研究者——愛丁頓的敵意使錢德拉塞卡拋棄了這方麵的工作，轉去研究諸如恒星團運動等其他天文學問題。然而，當錢德拉塞卡獲得1983年諾貝爾獎時，至少部分原因在於他早年所做的關於冷恒星的質量極限的工作。錢德拉塞卡指出，電子的泡利不相容原理不能夠阻止質量大於錢德拉塞卡極限的恒星發生坍縮，這時恒星中的電子會被壓入質子形成中子，整個恒星也就演化成中子星。而大於中子星質量極限的恒星坍縮會發生什麽，在當時仍是一個未知的問題。這個問題被一位年輕的美國人羅伯特·奧本海默於1939年首次解決，他表明大於一定質量的恒星會直接坍縮成黑洞，這個質量極限就是托勒曼—奧本海默—沃爾科夫極限。然而，他所獲得的結果表明，用當時的望遠鏡去觀察不會再有任何結果。之後，因第二次世界大戰的幹擾，奧本海默卷入到原子彈計劃中去。戰後，由於大部分科學家被吸引到原子和原子核尺度的物理中去，因而引力坍縮的問題被大部分人忘記了。黑洞這個概念剛被提出的時候，共有兩種光理論：一種是牛頓讚成的光的微粒說；另一種是光的波動說。由於量子力學的波粒二象性，光既可認為是波，也可認為是粒子。在光的波動說中，不清楚光對引力如何響應。但是如果光是由粒子組成的，人們可以預料，它們正如同炮彈、火箭和行星那樣受引力的影響。起先人們以為，光粒子無限快地運動，所以引力不可能使之慢下來，但是1676年丹麥天文學家羅默（Ole Rømer）關於光速度有限的發現表明引力對之可有重要效應。1783年，劍橋的學監約翰·米歇爾（John Michell）在這個假定的基礎上，在《倫敦皇家學會哲學學報》上發表了一篇文章。他指出，一個質量足夠大並足夠緊致的恒星會有如此強大的引力場，以致於連光線都不能逃逸——任何從恒星表麵發出的光，還沒到達遠處即會被恒星的引力吸引回來。米歇爾暗示，可能存在大量這樣的恒星，雖然會由於從它們那裏發出的光不會到達我們這兒而使我們不能看到它們，但我們仍然可以感到它們的引力的吸引作用。這正是我們稱為黑洞的物體。 [11]事實上，因為光速是固定的，所以，在牛頓引力論中將光類似炮彈那樣處理不嚴謹。（從地麵發射上天的炮彈由於引力而減速，最後停止上升並折回地麵；然而，一個光子必須以不變的速度繼續向上，那麽牛頓引力對於光如何發生影響。）在1915年愛因斯坦提出廣義相對論之前，一直沒有關於引力如何影響光的協調的理論，之後這個理論對大質量恒星的含意才被理解。觀察一個恒星坍縮並形成黑洞時，因為在相對論中沒有絕對時間，所以每個觀測者都有自己的時間測量。由於恒星的引力場，在恒星上某人的時間將和在遠處某人的時間不同。假定在坍縮星表麵有一無畏的航天員和恒星一起向內坍縮，按照他的表，每一秒鍾發一信號到一個繞著該恒星轉動的空間飛船上去。在他的表的某一時刻，譬如11點鍾，恒星剛好收縮到它的臨界半徑，此時引力場強到沒有任何東西可以逃逸出去，他的信號再也不能傳到空間飛船了。當11點到達時，他在空間飛船中的夥伴發現，航天員發來的一串信號的時間間隔越變越長。但是這個效應在10點59分59秒之前是非常微小的。在收到10點59分58秒和10點59分59秒發出的兩個信號之間，他們隻需等待比一秒鍾稍長一點的時間，然而他們必須為11點發出的信號等待無限長的時間。按照航天員的手表，光波是在10點59分59秒和11點之間由恒星表麵發出；從空間飛船上看，那光波被散開到無限長的時間間隔裏。在空間飛船上收到這一串光波的時間間隔變得越來越長，所以恒星來的光顯得越來越紅、越來越淡，最後，該恒星變得如此之朦朧，以至於從空間飛船上再也看不見它，所餘下的隻是空間中的一個黑洞。然而，此恒星繼續以同樣的引力作用到空間飛船上，使飛船繼續繞著所形成的黑洞旋轉。黑洞吞噬中子星（計算機模擬）但是由於以下的問題，使得上述情景不是完全現實的。離開恒星越遠則引力越弱，所以作用在這位無畏的航天員腳上的引力總比作用到他頭上的大。在恒星還未收縮到臨界半徑而形成事件視界之前，這力的差就已經將航天員拉成意大利麵條那樣，甚至將他撕裂!然而，在宇宙中存在質量大得多的天體，譬如星係的中心區域，它們遭受到引力坍縮而產生黑洞；一位在這樣的物體上麵的航天員在黑洞形成之前不會被撕開。事實上，當他到達臨界半徑時，不會有任何異樣的感覺，甚至在通過永不回返的那一點時，都沒注意到。但是，隨著這區域繼續坍縮，隻要在幾個鍾頭之內，作用到他頭上和腳上的引力之差會變得如此之大，以至於再將其撕裂。羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）在1965年和1970年之間的研究指出，根據廣義相對論，在黑洞中必然存在無限大密度和空間——時間曲率的奇點。這和時間開端時的大爆炸相當類似，隻不過它是一個坍縮物體和航天員的時間終點而已。在此奇點，科學定律和預言將來的能力都失效了。然而，任何留在黑洞之外的觀察者，將不會受到可預見性失效的影響，因為從奇點出發的不管是光還是任何其他信號都不能到達。這令人驚奇的事實導致羅傑·彭羅斯提出了宇宙監督猜測，它可以被意譯為：“上帝憎惡裸奇點。”換言之，由引力坍縮所產生的奇點隻能發生在像黑洞這樣的地方，在那兒它被事件視界體麵地遮住而不被外界看見。嚴格地講，這是所謂弱的宇宙監督猜測：它使留在黑洞外麵的觀察者不致受到發生在奇點處的可預見性失效的影響，但它對那位不幸落到黑洞裏的可憐的航天員卻是愛莫能助。廣義相對論相關廣義相對論方程存在一些理論解，這些解使得我們的航天員可能看到裸奇點。他也許能避免撞到奇點上去，而穿過一個“蟲洞”來到宇宙的另一區域。看來這給空間——時間內的旅行提供了巨大的可能性。但是不幸的是，所有這些解似乎都是非常不穩定的；一個最小的幹擾，譬如一個航天員的存在就會使之改變，以至於他還沒能看到此奇點，就撞上去而結束了他的時間。換言之，奇點總是發生在他的將來，而從不會在過去。強宇宙監督猜測是說，在一個現實的解裏，奇點總是或者整個存在於將來（如引力坍縮的奇點），或者整個存在於過去（如大爆炸）。因為在接近裸奇點處可能旅行到過去，所以宇宙監督猜測的某種形式的成立是大有希望的。事件視界，也就是空間——時間中不可逃逸區域的邊界，正如同圍繞著黑洞的單向膜：物體，譬如不謹慎的航天員，能通過事件視界落到黑洞裏去，但是沒有任何東西可以通過事件視界而逃離黑洞。（記住事件視界是企圖逃離黑洞的光的空間——時間軌道，沒有任何東西可以比光運動得更快）人們可以將詩人但丁針對地獄入口所說的話恰到好處地用於事件視界：“從這兒進去的人必須拋棄一切希望。”任何東西或任何人一旦進入事件視界，就會很快地到達無限致密的區域和時間的終點。廣義相對論預言，運動的重物會導致引力波的輻射，那是以光的速度傳播的空間——時間曲率的漣漪。引力波和電磁場的漣漪光波相類似，但是要探測到它則困難得多。就像光一樣，它帶走了發射它們的物體的能量。因為任何運動中的能量都會被引力波的輻射所帶走，所以可以預料，一個大質量物體的係統最終會趨向於一種不變的狀態。（這和扔一塊軟木到水中的情況相當類似，起先翻上翻下折騰了好一陣，但是當漣漪將其能量帶走，就使它最終平靜下來。）例如，繞著太陽公轉的地球即產生引力波。其能量損失的效應將改變地球的軌道，使之逐漸越來越接近太陽，最後撞 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