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词语黑洞百科解释：

黑洞概述

由于本身不发光，黑洞无法直接观测，但可以借由间接方式得知其存在与质量，并且观测到它对其他事物的影响。借由物体被吸入之前的因黑洞引力带来的加速度导致的摩擦而放出X射线和γ射线的“边缘讯息”，可以获取黑洞存在的信息。推测出黑洞的存在也可借由间接观测恒星或星际云气团绕行轨迹来得出，还可以取得其位置以及质量。

北京时间2019年4月10日21时，人类首张黑洞照片面世（见黑洞照片），该黑洞位于室女座的一个巨椭圆星系M87的中心，距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍。该图片由事件视界望远镜（Event Horizon Telescope，简称EHT）拍摄，本质上是黑洞周围吸积的热等离子体发出的光，经过黑洞引力偏折后的图像。

2020年10月6日，瑞典皇家科学院将2020年诺贝尔物理学奖授予对黑洞研究作出突出贡献的三位物理学家。其中英国科学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）因发现黑洞形成是广义相对论的直接证据而获奖，德国科学家赖因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）和美国女科学家安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez）因在银河系中心发现超大质量黑洞而获奖。根策尔和盖兹的两个科研团队跟踪了银河系中心人马座A*区域的一批最亮恒星的运行轨迹，证明该区域存在一个质量约太阳400万倍且不超过太阳系大小的不可见天体。

北京时间2021年3月24日晚10点，事件视界望远镜合作组公布了M87超大质量黑洞的偏振图像，揭露了环绕M87黑洞的热气体的磁场信息。

北京时间2022年5月12日晚9点，事件视界望远镜合作组织正式发布了银河系中心超大质量黑洞人马座A*（Sgr A*）的首张照片。该黑洞距离地球约2.6万光年，质量约为太阳的430万倍。2023年5月24日，美国的詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）和钱德拉X射线天文台（Chandra X-ray Observatory）认证了迄今观测的最遥远的黑洞，距地球约132亿光年，质量约太阳的1000万～1亿倍，与它所在宿主星系的所有恒星质量之和相当。这一超大质量黑洞在宇宙大爆炸后仅仅5亿年就形成了，因此倾向于证明宇宙第一代黑洞来源于气体云的直接坍缩，而非第一代恒星的死亡。该成果已发表到《自然·天文学》杂志上。

黑洞演化过程

产生
黑洞由中心的一个由黎曼曲率张量出发构建的标量多项式在趋向此处发散的奇点和周围的时空组成，其边界为只进不出的单向膜：事件视界，事件视界的范围之内不可见。大质量恒星的引力坍缩被认为是形成恒星质量黑洞的原因。依据爱因斯坦的广义相对论，当一颗垂死恒星崩溃，它会向中心塌缩，质量大于托尔曼-奥本海默-沃尔科夫极限（Tolman-Oppenheimer-Volkoff Equation，也叫TOV极限，估计在2.5-4倍太阳质量左右）则会无限地坍缩，直到最后形成体积接近无限小、密度几乎无限大的星体（几乎为奇点）。而当它的半径一旦收缩到小于史瓦西半径时，质量导致的时空扭曲就使得即使光也无法向外射出——“黑洞”就诞生了。
黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程：一个恒星在面临毁灭时，一般要么是因为恒星内部的燃料不足，无法通过核合成来维持温度；要么是因为稳定的恒星接受了外来的物质，却未能提高其核心温度来维持平衡。总之，核心由于温度不足，在自身重力的作用下迅速地坍缩，发生强力爆炸，称为超新星爆发。这一过程使得恒星外层的大部分质量被抛射出去，只留下内层一个致密的核。恒星剩余质量的大小，决定了它最终的命运，即会成为哪一种致密星。当剩余核心的质量小于TOV极限时，它将成为一颗中子星，支持星体的压力来自于中子间的强相互作用和简并压。当核心质量大于TOV极限时则会形成黑洞，这时它的质量大到使收缩过程无休止地进行下去，连中子间的排斥力也无法阻挡。中子本身在自身的引力挤压下被碾为粉末，剩下的是一个密度高到难以想象的物质。
从恒星演化的角度来看，通常恒星最初只含氢元素，恒星内部的氢原子核时刻相互碰撞，发生聚变。由于恒星质量很大，聚变产生的能量与恒星万有引力抗衡，以维持恒星结构的稳定。氢原子核的聚变产生新的元素——氦元素，接着，氦原子也参与聚变，生成锂元素。如此类推，按照元素周期表的顺序，会依次有铍元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成，直至铁元素生成，该恒星便会坍塌。这时由于铁元素相当稳定，参与聚变时释放的能量小于所需能量，因而聚变停止，导致恒星内部不具有足够的能量与质量巨大的恒星的万有引力抗衡，从而引发恒星坍塌，最终形成黑洞。
根据恒星演化理论，能形成黑洞的恒星原始质量应该大于太阳质量25倍以上。这样的恒星在晚年会发生剧烈的超新星爆发，抛射出部分物质形成星云，剩下的遗留物质量大于TOV极限，可以形成黑洞。然而，外部的观测者实际无法“看到”黑洞的形成，因为广义相对论的引力时间膨胀，只能看到坍缩的物质在视界上方逐渐变慢直到停止。来自坍塌物质的光抵达观测者的时间会拖得越来越久，在抵达视界的前一刻发出的光会无限期地延迟。因此，外部的观测者从未见到事件视界的形成；相对的是，坍塌的物质变得越来越暗，最终逐渐从视野中消失。
吸积
黑洞通常是因为它们聚拢周围的气体产生辐射而被发现的，这一过程被称为吸积。高温气体辐射热能的效率会严重影响吸积流的几何与动力学特性。已观测到了辐射效率较高的薄盘以及辐射效率较低的厚盘。当吸积气体接近中央黑洞时，它们产生的辐射对黑洞的自转以是中央延展物质系统的流动。吸积是天体物理中最普遍的过程之一，而且也正是因为吸积才形成了我们周围许多常见的结构。在宇宙早期，当气体朝由暗物质造成的引力势阱中心流动时形成了星系。恒星是由气体云在其自身引力作用下坍缩碎裂，进而通过吸积周围气体而形成的。行星（包括地球）也是在新形成的恒星周围通过气体和岩石的聚集而形成的。当中央天体是一个黑洞时，吸积就会展现出它最为壮观的一面。
喷流
质量越大的黑洞，吸积产生的辐射光度往往就越大。宇宙中的星系大多十分平静，但其中约2%的星系有剧烈的活动，其物理特征呈现快速、明显的变化，主要体现在星系核在X射线、紫外、光学或射电波段有强烈的辐射和爆发。这些星系在活动期间爆发出的能量比银河系一生释放的总能量还要大，但核的活动范围却很小，如此强的辐射效率只有黑洞才能做到。这样的核称为活动星系核（Active Galactic Nucleus，简称AGN）。目前主流的AGN模型认为，活动星系中心存在一个超大质量黑洞，它吸积周围的气体形成了一个约几倍~1000倍史瓦西半径的吸积盘，并在垂直吸积盘的方向高速喷出电子和其他电离气体，在两侧形成长达0.1~ 秒差距（parsec，简称pc）的壮观喷流。喷流是由于电子在黑洞强磁场的作用下向外加速运动，但是在黑洞周围稠密的气体云团的束缚下，电子只能从气体的最薄弱处喷射出来，形成方向十分固定的喷流。喷出的电子最快可以接近光速。
蒸发
黑洞看起来能吸收一切物质，质量只增不减，但黑洞也可能持续辐射光子（虽然恒星质量黑洞辐射的速度极为缓慢）。按照史蒂芬·霍金（Stephen William Hawking）在1974年提出的理论，在量子物理中，有一种名为“隧道效应”的现象，即一个粒子的概率密度分布虽然尽可能让能量低的地方较强，但即使在能量相当高的地方，粒子的概率密度仍不为零，换句话说，粒子总有一定概率穿越那些在经典物理中无法穿透的“墙”。黑洞的边界对于光子来说，就是一堵能量相当高的势垒，但是光子总有一定概率隧穿出去。霍金计算出黑洞辐射光子的温度为，这一现象称为霍金辐射。
霍金的理论是受灵感支配的思维的飞跃，他结合了广义相对论和量子理论，他发现黑洞周围的引力场释放出能量，同时消耗黑洞的能量和质量。
假设一对粒子会在任何时刻、任何地点被创生，被创生的粒子就是正粒子与反粒子，而如果这一创生过程发生在黑洞附近的话就会有四种可能的情况发生：两粒子湮灭、两粒子都被吸入黑洞，正粒子被吸入黑洞反粒子逃逸，反粒子被吸入黑洞正粒子逃逸。对于最后一情况：在黑洞附近创生的一对粒子其中一个反粒子会被吸入黑洞，而正粒子会逃逸，由于能量不能凭空创生，我们设反粒子携带负能量，正粒子携带正能量，而反粒子的所有运动过程可以视为是一个正粒子的为之相反的运动过程，如一个反粒子被吸入黑洞可视为一个正粒子从黑洞逃逸。这一情况就是一个携带着从黑洞里来的正能量的粒子逃逸了，即黑洞的总能量少了，而爱因斯坦的质能方程表明，能量的损失会导致质量的损失。
在经典的广义相对论中，由于没有光子能从黑洞中跑出来，即黑洞不产生辐射，黑洞的温度是绝对零度。但根据霍金的理论，每个黑洞都有一定的温度，而且温度的高低与黑洞的质量成反比例。也就是说，大黑洞温度低，蒸发也微弱；小黑洞的温度高，蒸发也强烈，类似剧烈的爆发。当黑洞的质量越来越小时，它的霍金辐射温度会越来越高。这样，当黑洞损失质量时，它的温度和发射率增加，因而它的质量损失得更快。这种“霍金辐射”对大多数黑洞来说可以忽略不计，理论上，相当于一个太阳质量的黑洞，大约要1x 年才能蒸发殆尽。实际上，由于大质量黑洞的霍金辐射温度比宇宙微波背景辐射的温度（约2.7开尔文）还要低，恒星级及以上的黑洞的质量只增不减，只有小于月球质量（直径小于0.1毫米）的黑洞才会蒸发。这样的小黑洞会以极高的速度辐射能量，相当于一颗小行星质量的黑洞会在1x 秒内蒸发得干干净净。宇宙中黑洞的霍金辐射很难观测到，但有学者提出原初黑洞在蒸发到最后阶段会释放伽马射线暴，不过目前还未证实。美国航空航天局（NASA）在2008年发射的费米伽马射线太空望远镜将持续寻找这一爆发。

引力透镜

对于那些并不活跃的黑洞，如周围没有气体的孤立黑洞，如果它正好处在地球与某个恒星或星系之间，可以通过引力透镜效应推算黑洞的质量。

恒星引力的时空扭曲改变了光线的路径，使之和原先没有恒星情况下的路径不一样。光在恒星表面附近稍微向内偏折，在日食时观察远处恒星发出的光线，可以看到这种偏折现象。当该恒星向内坍塌时，其质量导致的时空扭曲变得很强，光线向内偏折得也更强，从而使得光子从恒星逃逸变得更为困难。对于在远处的观察者而言，光线变得更黯淡更红。最后，当这恒星收缩到某一临界半径（史瓦西半径）时，其质量导致时空扭曲变得如此之强，使得光向内偏折得也如此之强，以至于光也逃逸不出去。这样，如果光都逃逸不出来，其他东西更不可能逃逸，都会被拉回去。也就是说，存在一个事件的集合或时空区域，光或任何东西都不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者，这就是黑洞。其边界称作事件视界，它和刚好不能从黑洞逃逸的光线的轨迹相重合。

与别的天体相比，黑洞十分特殊。人们无法直接观察到它，科学家也只能对它内部结构提出各种猜想。而使得黑洞把自己隐藏起来的的原因即是弯曲的时空。根据广义相对论，时空会在引力场作用下弯曲。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短光程传播，但在其他观测者看来它已弯曲。在经过大密度的天体时，时空会弯曲，光也就偏离了原来的方向。

地球上，由于引力场作用很小，时空的扭曲是微乎其微的。而在黑洞周围，时空的这种变形非常大。即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。这样，地球的观测者看到的是被黑洞引力扭曲放大的恒星图像。黑洞的作用就像放大镜一样，因此也叫强引力透镜效应。

更有趣的是，有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球，它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”，还同时看到它的“侧面”、甚至“后背”，这也是宇宙中的“引力透镜”效应。

如果是相互绕转的双黑洞或者并合中的双黑洞，则会发出引力波。引力波是时空的“涟漪”，会对经过的物体产生压缩或拉伸。2015年9月14日，美国的“高新”激光干涉仪引力波天文台（advanced Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，简称aLIGO）的两台引力波探测器首次探测到了来自于双黑洞合并的引力波信号。2015年12月26日，LIGO再次探测到了双黑洞并合的引力波信号，这是人类探测到的第二个引力波信号。

图：两个互相旋转的黑洞（NGC6240的双黑洞X射线模拟，双黑洞将在接下来的1000万～1亿年并合成一个）

黑洞物理特性

根据黑洞的无毛定理，一个稳定的黑洞可以仅用三个物理量来描述：质量M，角动量J，电荷量Q。这些参数值相同的两个黑洞，物理特性不应有任何的区别，也就是说，黑洞内部的质量分布、电荷分布，与它作为一个整体的外界表现毫不相干。这一理论上的推测对于现实中的黑洞是否为真，目前仍是一个悬而未决的问题。当物体落入黑洞时，它本身携带的形状和电荷分布等信息被抹去，转化为黑洞的平均性质。此时视界就像一个耗散系统，吞噬了这个物质的诸多物理信息（例如重子数、轻子数等守恒量子数），这与量子力学中信息不丢失的假设矛盾，故称“黑洞信息悖论”。一个带电黑洞就像其他带电物体一样排斥或吸引电荷，它的总质量可以通过测量远处的引力场得到，角动量也可以测量远处的参考系拖曳效应得到。

虽然黑洞的质量可以取任意正值，它的电荷量和角动量受质量的限制

对于质量为M的黑洞，电荷量和角动量都有其上限。要注意，该式取等号时意味着存在裸奇点，违反了宇宙监察猜想（cosmic censorship conjecture，彭罗斯猜测，自然界有一个隐藏的法则，使得物体引力坍缩产生的起点只能存在于视界之内，不会产生裸奇点），故一般认为不能取等号。

黑洞根据其质量分为超大质量黑洞（ ~ 倍太阳质量，半径约0.001~1000倍日地距离）、中等质量黑洞（ ~ 倍太阳质量，半径约1000千米）、恒星级黑洞（3~100倍太阳质量，半径约为30千米）、微型黑洞（小于月球质量，半径小于0.1毫米）。黑洞的大小一般定义为它的事件视界半径，对史瓦西黑洞（不带电不自转黑洞）等于其史瓦西半径，与质量成正比：

为太阳质量，为史瓦西半径。对于带电黑洞或有自转黑洞，它的外视界会变小，但不得小于。

事件视界
事件视界是黑洞最重要的特征之一，它是黑洞在时空上的分界面，光和物质只能从外侧进入视界内而无法逃出来。这一名称来源于，一旦事件发生在视界内部，事件的信息永远也无法被外部的观测者获取，所以无法判断事件有没有发生。对于一般黑洞，内外视界大小为
（其中，M、J、Q分别代表黑洞的总质量、总角动量和总电荷。为单位质量角动量）
奇点
广义相对论预言，黑洞中心存在一个物理的引力奇点，那里的时空曲率趋于无穷。对于非旋转黑洞，这个区域是一个点的形状；对于旋转黑洞，它是在均匀分布在一个圆上的环奇点。在这两种情况，奇点区域的体积都为零。这表明奇点区域包含稳定黑洞的所有质量。因此，奇点区域的质量可以被认为具有无限的密度。
进入史瓦西黑洞（即不旋转且不带电荷的黑洞）的观测者一旦穿过事件视界，就无可避免地被带入奇点。他们可以将这一过程延长，借由加速离开延缓他们的下降，但不可阻止或逆转。当他们到达奇点时，他们被压至无限的密度，其质量被加至黑洞的总质量中。在此之前，他们将被不断增强的潮汐力拉长而撕裂，这通常称为面条化或面条效应。
无限红移面
无限红移面是指，对于远处非旋转系（Locally Nonrotating Frames，简称LNRF）的观测者，该面上的光子永远也不能到达观测者处，或者说到达时的红移为无穷大。对于史瓦西黑洞，视界与无限红移面重合，只有对于有自旋黑洞两者才会分开。只有在该面以外，粒子才有可能在外力作用下保持静止。无限红移面与视界之间的区域成为能层。内外无限红移面大小为：
与视界面不同，它是两个椭球面，故与极坐标下的夹角有关。
最小稳定圆轨道（ISCO）
对于牛顿的万有引力定律，粒子可以在任意的距离稳定地绕着中心天体作圆周运动。但在广义相对论下，存在一个最小的稳定圆形轨道（Innermost Stable Circular Orbit，简称ISCO），任意小的内向扰动都会使轨道上的物体沿螺旋线坠入黑洞，任意外向扰动（根据扰动的能量大小）可能使物体旋入黑洞，在更远处做稳定绕转，或者逃逸到无穷远处。ISCO的大小与黑洞自转有关，对于史瓦西黑洞，其大小为：
对自转黑洞，与黑洞自转方向相同的粒子，其最小稳定圆轨道会减小。

黑洞分类特点

物理性质划分

根据黑洞本身的物理特性质量，角动量，电荷划分，可以将黑洞分为四类：

黑洞类型	求出情况
不旋转不带电荷的黑洞	它的时空结构于1916年由史瓦西求出，称史瓦西黑洞。
不旋转带电黑洞	称赖斯内尔-诺德斯特洛姆（Reissner-Nordstrom ，简称R-N）黑洞。时空结构于1916至1918年由赖斯内尔（Reissner）和诺德斯特洛姆（Nordstrom）求出。
旋转不带电黑洞	称克尔黑洞。时空结构由克尔（Kerr）于1963年求出。
旋转带电黑洞	称克尔-纽曼（Kerr-Newman，简称K-N）黑洞[MOU2] 。时空结构于1965年由纽曼（Newman）求出。

克尔纽曼黑洞
图：M87星系核以及系外喷流中明亮的结（1999年～2006年哈勃空间望远镜紫外图像）。这个结（称为HST-1）的亮度不断变化，甚至比M87本身还要亮。图源自NASA 2009.
转动且带电荷的黑洞，叫做克尔-纽曼黑洞。这种结构的黑洞视界和无限红移面会分开，而且视界会分为两个（外视界r+和内视界r-），无限红移面也会分裂为两个（rs+和rs-）。外视界和无限红移面之间的区域叫做能层，有能量储存在那里。越过外无限红移面的物体仍有可能逃离黑洞，这是因为能层还不是单向膜区。
单向膜区内，r为时间，s是空间。穿过外视界进入单向膜区的物体，将只能向前，穿过内视界进入黑洞内部。内视界以里的区域不是单向膜区，那里有一个“奇环”，也就是时间终止的地方。物体可以在内视界内自由运动，由于奇环产生斥力，物体不会撞上奇环，不过，奇环附近有一个极为有趣的时空区，在那里存在“闭合类时线”，沿这种时空曲线运动的物体可以不断地回到自己的过去。
超大质量黑洞
宇宙中绝大部分星系，包括我们居住的银河系的中心都隐藏着一个超大质量黑洞。这些黑洞质量大小不一，大约100万～400亿个太阳质量。天文学家们通过探测黑洞周围吸积盘发出的强烈辐射和热量推断这些黑洞的存在。物质在受到强烈黑洞引力下落时，会在其周围形成吸积盘盘旋下降，在这一过程中势能迅速释放，将物质加热到极高的温度，从而发出强烈辐射。黑洞通过吸积方式吞噬周围物质，这是它的成长方式之一。
图：黑洞想象图，在我们所居住银河系的中心部位，所有银河系的恒星都围绕银心部位的一个超大质量黑洞公转。
一般认为，超大质量黑洞主要有几种可能的来源：一是宇宙早期的巨型分子云直接坍缩成约十万倍太阳质量的种子黑洞；二是宇宙第一代超大质量恒星死亡后坍缩成约10～100个太阳质量的种子黑洞。随着种子黑洞不断吸积以及两个种子黑洞的并合，最终成长为超大质量黑洞。
超大质量黑洞平均密度可以很低，甚至比空气密度还要低。这是因为史瓦西半径与其质量成正比，而密度则与体积成反比。由于球体（如非旋转黑洞的事件视界）体积是与半径立方成正比，而质量差不多以直线增长，体积增长率则会更大。故此，密度会随黑洞半径增长而减少。
2023年5月24日，美国的詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope，简称JWST）和钱德拉X射线天文台（Chandra X-ray Observatory）认证了迄今观测的最遥远的黑洞，距地球约132亿光年，质量约太阳的1000万～1亿倍，与它所在宿主星系的所有恒星质量之和相当。而近邻宇宙的超大质量黑洞一般仅占其宿主星系质量的0.1%。它位于UHZ1星系的中心，由于Abell 2744星系团夹在它与地球之间，通过引力透镜放大了UHZ1星系发出的红外线及黑洞周围气体发出的X射线，才能被我们观测到。
这一超大质量黑洞在宇宙大爆炸后仅仅4.7亿年就形成了，如果是第一代恒星坍缩形成的黑洞，其年龄不足以成长为如此巨大的黑洞，因此倾向于证明宇宙第一代黑洞来源于气体云的直接坍缩。该成果已发表到《自然·天文学》杂志上。
目前人类直接观测的最大质量黑洞是TON 618。这个庞然大物拥有大约660亿个太阳质量。它所形成的阴影区域（进入该区域的光线被严重偏折，大小约2倍事件视界），光需要几周才能走完。
中等质量黑洞
20世纪90年代以来，天文学家陆续在遥远星系中发现了一批X射线光度极高的天体，它们可能是人们一直寻找的中等质量黑洞，也可能是具有特殊辐射机制的几个或几十个太阳质量的恒星级黑洞。国际天文和天体物理界对此一直难以定论。中等质量黑洞介于恒星级黑洞和超大质量黑洞之间，质量为太阳的100到100万倍。[MOU2] 由于这类天体距离我们十分遥远，通常为几千万光年，同时X射线照射黑洞吸积盘而产生的光污染也非常强，因此测量极其困难。
2020年11月，激光干涉仪引力波天文台-室女座引力波探测器（LIGO-Virgo）合作组宣布，他们首次探测到了一个中等质量的黑洞产生的引力波。这项由超过1500名研究人员参与的引力波探测研究显示，约70亿年前，质量分别为太阳的66倍和85倍的两个黑洞，在发生激烈碰撞后，形成了一个新的中等质量黑洞。这也是人类迄今探测到的首个中等质量黑洞。此次探测到的中等质量黑洞其质量是太阳的142倍。
恒星级黑洞
2019年11月28日凌晨，国际科学期刊《自然》发布了中国科学院国家天文台团队的一项重大发现。依托我国自主研制的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜（LAMOST），研究团队发现了一颗迄今为止质量最大的恒星级黑洞，并提供了一种利用LAMOST巡天优势寻找黑洞的新方法。这颗70倍太阳质量的黑洞超过了理论预言的恒星质量黑洞的质量上限，颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知，有望推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。
2020年4月29日，《自然》杂志的一篇文章质疑其没有黑洞质量大于50倍太阳质量的确凿证据。随后，发现该黑洞的团队回复称：观测数据仍然倾向于该黑洞拥有23~65倍太阳质量。

黑洞探索历史

早年探索
1970年，美国的“自由”号人造卫星发现了与其他射线源不同的天鹅座X-1，位于天鹅座X-1上的是一个比太阳重30多倍的巨大蓝色星球，该星球被一个重约21个太阳质量的看不见的物体牵引着。天文学家一致认为这个物体就是黑洞，它就是人类发现的第一个黑洞。
1928年，天体物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）到英国剑桥师从英国天文学家亚瑟·爱丁顿爵士（Arthur Eddington）学习。钱德拉塞卡意识到，泡利不相容原理所能提供的排斥力有一个极限。恒星中的粒子的最大速度差被相对论限制为光速。这意味着，当恒星质量足够大时，由不相容原理引起的排斥力就会比引力的作用小。钱德拉塞卡计算出；一个大约为太阳质量1.4倍的冷的恒星不能支持自身以抵抗自己的引力（该质量称为钱德拉塞卡极限）。前苏联科学家列夫·达维多维奇·朗道（Lev Davidovich Landau）几乎在同时也发现了类似的结论。
如果一颗恒星的质量比钱德拉塞卡极限小，它最后会停止收缩并终于变成一颗半径为几千英里和密度为每立方英寸几百吨的“白矮星”。白矮星是它物质中电子之间的不相容原理排斥力所支持的。第一颗被观察到的白矮星是天狼星（夜空中最亮的恒星）的一颗伴星（天狼星B）。
朗道还指出，对于恒星还存在另一可能的终态。其极限质量大约也为太阳质量的一倍到两倍，但是其体积甚至比白矮星还小得多。这些恒星是由中子和质子之间，而不是电子之间的不相容原理排斥力所支持。所以它们被叫做中子星。它们的半径只有10英里左右，密度为每立方英寸几亿吨。在中子星被第一次预言时，并没有任何方法去观察它，很久以后人们才发现了高速旋转并发出周期性信号的中子星——脉冲星。
1967年，剑桥的一位研究生约瑟琳·贝尔（Jocelyn Bell）发现了天空发射出无线电波的规则脉冲的物体，这对黑洞的存在的预言带来了进一步的鼓舞。起初贝尔和她的导师安东尼·赫维许以为，他们可能和我们星系中的外星文明进行了接触。在宣布他们发现的讨论会上，他们将这四个最早发现的源称为LGM1－4，LGM表示“小绿人”（“Little Green Man”）的意思。最终他们和所有其他人的结论是这些被称为脉冲星的物体，事实上是旋转的中子星。
另一方面，质量比钱德拉塞卡极限还大的恒星在耗尽其燃料时，会出现一个很大的问题：在某种情形下，它们会爆炸或抛出足够的物质，使自己的质量减少到极限之下，以避免灾难性的引力开始坍缩，不管恒星有多大，这总会发生。爱丁顿拒绝相信钱德拉塞卡的结果。爱丁顿认为，一颗恒星不可能坍缩成一点。这是大多数科学家的观点：爱因斯坦自己写了一篇论文，宣布恒星的体积不会收缩为零。其他科学家，尤其是他以前的老师、恒星结构的主要研究者——爱丁顿的敌意使钱德拉塞卡抛弃了这方面的工作，转去研究诸如恒星团运动等其他天文学问题。然而，当钱德拉塞卡获得1983年诺贝尔奖时，至少部分原因在于他早年所做的关于冷恒星的质量极限的工作。
钱德拉塞卡指出，电子的泡利不相容原理不能够阻止质量大于钱德拉塞卡极限的恒星发生坍缩，这时恒星中的电子会被压入质子形成中子，整个恒星也就演化成中子星。而大于中子星质量极限的恒星坍缩会发生什么，在当时仍是一个未知的问题。这个问题被一位年轻的美国人罗伯特·奥本海默于1939年首次解决，他表明大于一定质量的恒星会直接坍缩成黑洞，这个质量极限就是托勒曼—奥本海默—沃尔科夫极限。然而，他所获得的结果表明，用当时的望远镜去观察不会再有任何结果。之后，因第二次世界大战的干扰，奥本海默卷入到原子弹计划中去。战后，由于大部分科学家被吸引到原子和原子核尺度的物理中去，因而引力坍缩的问题被大部分人忘记了。
黑洞这个概念刚被提出的时候，共有两种光理论：一种是牛顿赞成的光的微粒说；另一种是光的波动说。由于量子力学的波粒二象性，光既可认为是波，也可认为是粒子。在光的波动说中，不清楚光对引力如何响应。但是如果光是由粒子组成的，人们可以预料，它们正如同炮弹、火箭和行星那样受引力的影响。起先人们以为，光粒子无限快地运动，所以引力不可能使之慢下来，但是1676年丹麦天文学家罗默（Ole Rømer）关于光速度有限的发现表明引力对之可有重要效应。
1783年，剑桥的学监约翰·米歇尔（John Michell）在这个假定的基础上，在《伦敦皇家学会哲学学报》上发表了一篇文章。他指出，一个质量足够大并足够紧致的恒星会有如此强大的引力场，以致于连光线都不能逃逸——任何从恒星表面发出的光，还没到达远处即会被恒星的引力吸引回来。米歇尔暗示，可能存在大量这样的恒星，虽然会由于从它们那里发出的光不会到达我们这儿而使我们不能看到它们，但我们仍然可以感到它们的引力的吸引作用。这正是我们称为黑洞的物体。
事实上，因为光速是固定的，所以，在牛顿引力论中将光类似炮弹那样处理不严谨。（从地面发射上天的炮弹由于引力而减速，最后停止上升并折回地面；然而，一个光子必须以不变的速度继续向上，那么牛顿引力对于光如何发生影响。）在1915年爱因斯坦提出广义相对论之前，一直没有关于引力如何影响光的协调的理论，之后这个理论对大质量恒星的含意才被理解。
观察一个恒星坍缩并形成黑洞时，因为在相对论中没有绝对时间，所以每个观测者都有自己的时间测量。由于恒星的引力场，在恒星上某人的时间将和在远处某人的时间不同。假定在坍缩星表面有一无畏的航天员和恒星一起向内坍缩，按照他的表，每一秒钟发一信号到一个绕着该恒星转动的空间飞船上去。在他的表的某一时刻，譬如11点钟，恒星刚好收缩到它的临界半径，此时引力场强到没有任何东西可以逃逸出去，他的信号再也不能传到空间飞船了。当11点到达时，他在空间飞船中的伙伴发现，航天员发来的一串信号的时间间隔越变越长。但是这个效应在10点59分59秒之前是非常微小的。在收到10点59分58秒和10点59分59秒发出的两个信号之间，他们只需等待比一秒钟稍长一点的时间，然而他们必须为11点发出的信号等待无限长的时间。按照航天员的手表，光波是在10点59分59秒和11点之间由恒星表面发出；从空间飞船上看，那光波被散开到无限长的时间间隔里。在空间飞船上收到这一串光波的时间间隔变得越来越长，所以恒星来的光显得越来越红、越来越淡，最后，该恒星变得如此之朦胧，以至于从空间飞船上再也看不见它，所余下的只是空间中的一个黑洞。然而，此恒星继续以同样的引力作用到空间飞船上，使飞船继续绕着所形成的黑洞旋转。
但是由于以下的问题，使得上述情景不是完全现实的。离开恒星越远则引力越弱，所以作用在这位无畏的航天员脚上的引力总比作用到他头上的大。在恒星还未收缩到临界半径而形成事件视界之前，这力的差就已经将航天员拉成意大利面条那样，甚至将他撕裂!然而，在宇宙中存在质量大得多的天体，譬如星系的中心区域，它们遭受到引力坍缩而产生黑洞；一位在这样的物体上面的航天员在黑洞形成之前不会被撕开。事实上，当他到达临界半径时，不会有任何异样的感觉，甚至在通过永不回返的那一点时，都没注意到。但是，随着这区域继续坍缩，只要在几个钟头之内，作用到他头上和脚上的引力之差会变得如此之大，以至于再将其撕裂。
罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）在1965年和1970年之间的研究指出，根据广义相对论，在黑洞中必然存在无限大密度和空间——时间曲率的奇点。这和时间开端时的大爆炸相当类似，只不过它是一个坍缩物体和航天员的时间终点而已。在此奇点，科学定律和预言将来的能力都失效了。然而，任何留在黑洞之外的观察者，将不会受到可预见性失效的影响，因为从奇点出发的不管是光还是任何其他信号都不能到达。这令人惊奇的事实导致罗杰·彭罗斯提出了宇宙监督猜测，它可以被意译为：“上帝憎恶裸奇点。”换言之，由引力坍缩所产生的奇点只能发生在像黑洞这样的地方，在那儿它被事件视界体面地遮住而不被外界看见。严格地讲，这是所谓弱的宇宙监督猜测：它使留在黑洞外面的观察者不致受到发生在奇点处的可预见性失效的影响，但它对那位不幸落到黑洞里的可怜的航天员却是爱莫能助。
广义相对论相关
广义相对论方程存在一些理论解，这些解使得我们的航天员可能看到裸奇点。他也许能避免撞到奇点上去，而穿过一个“虫洞”来到宇宙的另一区域。看来这给空间——时间内的旅行提供了巨大的可能性。但是不幸的是，所有这些解似乎都是非常不稳定的；一个最小的干扰，譬如一个航天员的存在就会使之改变，以至于他还没能看到此奇点，就撞上去而结束了他的时间。换言之，奇点总是发生在他的将来，而从不会在过去。强宇宙监督猜测是说，在一个现实的解里，奇点总是或者整个存在于将来（如引力坍缩的奇点），或者整个存在于过去（如大爆炸）。因为在接近裸奇点处可能旅行到过去，所以宇宙监督猜测的某种形式的成立是大有希望的。
事件视界，也就是空间——时间中不可逃逸区域的边界，正如同围绕着黑洞的单向膜：物体，譬如不谨慎的航天员，能通过事件视界落到黑洞里去，但是没有任何东西可以通过事件视界而逃离黑洞。（记住事件视界是企图逃离黑洞的光的空间——时间轨道，没有任何东西可以比光运动得更快）人们可以将诗人但丁针对地狱入口所说的话恰到好处地用于事件视界：“从这儿进去的人必须抛弃一切希望。”任何东西或任何人一旦进入事件视界，就会很快地到达无限致密的区域和时间的终点。
广义相对论预言，运动的重物会导致引力波的辐射，那是以光的速度传播的空间——时间曲率的涟漪。引力波和电磁场的涟漪光波相类似，但是要探测到它则困难得多。就像光一样，它带走了发射它们的物体的能量。因为任何运动中的能量都会被引力波的辐射所带走，所以可以预料，一个大质量物体的系统最终会趋向于一种不变的状态。（这和扔一块软木到水中的情况相当类似，起先翻上翻下折腾了好一阵，但是当涟漪将其能量带走，就使它最终平静下来。）例如，绕着太阳公转的地球即产生引力波。其能量损失的效应将改变地球的轨道，使之逐渐越来越接近太阳，最后撞到太阳上，以这种方式归于最终不变的状态。在地球和太阳的情形下能量损失率非常小——大约只能点燃一个小电热器，这意味着要用大约1千亿亿亿年地球才会和太阳相撞，没有必要立即去为之担忧。地球轨道改变的过程极其缓慢，以至于根本观测不到。但是，在1974年发现的PSR1913+16（PSR表示“脉冲星”，一种特别的发射出无线电波规则脉冲的中子星）双星系统中观测到这一效应。此系统包含两个互相围绕着运动的中子星，由于引力波辐射，它们的能量损失，使之相互以螺旋线轨道靠近。
在恒星引力坍缩形成黑洞时，运动会更快得多，这样能量被带走的速率就高得多。所以不用太长的时间就会达到不变的状态。人们会以为它将依赖于形成黑洞的恒星的所有的复杂特征——不仅仅它的质量和转动速度，而且恒星不同部分的不同密度以及恒星内气体的复杂运动。如果黑洞就像坍缩形成它们的原先物体那样变化多端，一般来讲，对之作任何预言都将是非常困难的。
然而，加拿大科学家维纳·伊斯雷尔（Werner Israel）在1967年使黑洞研究发生了彻底的改变。他指出，根据广义相对论，非旋转的黑洞必须是非常简单的球形；其大小只依赖于它们的质量，并且任何两个这样的同质量的黑洞必须是等同的。事实上，它们可以用爱因斯坦的特解来描述，这个解是在广义相对论发现后不久的1916年卡尔·史瓦西找到的。一开始，许多人（其中包括伊斯雷尔自己）认为，既然黑洞必须是球形，一个黑洞只能由一个球形物体坍缩而形成。所以，任何实际的非球状的恒星只会坍缩形成一个裸奇点。
然而，对于伊斯雷尔的结果，一些人，特别是罗杰·彭罗斯和约翰·惠勒（John Archibald Wheeler）提倡一种不同的解释。他们论证道，牵涉恒星坍缩的快速运动表明，其释放出来的引力波使之越来越近于球形，到它终于静态时，就变成准确的球形。按照这种观点，任何非旋转恒星，不管其形状和内部结构如何复杂，在引力坍缩之后都将终结于一个球形黑洞，其大小只依赖于它的质量。这种观点得到进一步的计算支持，并且很快就为大家所接受。
伊斯雷尔的结果只处理了由非旋转物体形成的黑洞。1963年，新西兰人罗伊·克尔（Roy Kerr）找到了广义相对论方程的描述旋转黑洞的一族解。这些“克尔”黑洞以恒常速度旋转，其大小与形状只依赖于它们的质量和旋转的速度。如果旋转为零，黑洞就是球形，这解就和史瓦西解一样。如果有旋转，黑洞的赤道附近就鼓出去（正如地球或太阳由于旋转而鼓出去一样），而旋转得越快则鼓得越多。由此人们猜测，如将伊斯雷尔的结果推广到包括旋转体的情形，则任何旋转物体坍缩形成黑洞后，将最后终结于由克尔解描述的一个静态。
对黑洞的研究是科学史上极为罕见的情形之一，在没有任何观测到的证据证明其理论是正确的情形下，作为数学的模型被发展到非常详尽的地步。的确，这经常是反对黑洞的主要论据：怎么能相信一个其依据只是基于令人怀疑的广义相对论的计算的对象呢？然而，1963年，加利福尼亚的帕罗玛天文台的天文学家马丁·施密特（Maarten Schmidt）测量了在称为3C273（即是剑桥射电源编目第三类的273号）射电源方向的一个黯淡的类星体的红移。他发现引力场不可能引起这么大的红移——如果它是引力红移，这类星体必须具有如此大的质量，并离地球如此之近，以至于会干扰太阳系中的行星轨道。这暗示此红移是由宇宙的膨胀引起的，进而表明此物体离地球非常远。由于在这么远的距离还能被观察到，它必须非常亮，也就是必须辐射出大量的能量。人们会想到，产生这么大量能量的机制看来不仅仅是一个恒星，而是一个星系的整个中心区域的引力坍缩。发生在如此小区域的引力坍缩让人联想到了黑洞。后来对类星体的研究表明。它是活动星系核的一种，中心存在着超大质量黑洞。
黑洞磁场
2015年12月4日，借助事件视界望远镜（Event Horizon Telescope，简称EHT），天文学家在银河系中心的超大黑洞人马座A*事件视界的外侧探测到了磁场。科学家发现靠近黑洞的某些区域是混乱的，有着杂乱的磁圈和涡漩，就像搅在一起的意大利面。相反，其他区域的磁场则有序得多，可能是物质喷流产生的区域。黑洞周边的磁场在短至15分钟的时间段内都会发生明显变化。 2021年3月24日，事件视界望远镜合作组公布了M87超大质量黑洞的偏振图像，揭露了环绕M87黑洞的热气体的磁场信息。
霍金理论
2014年初，霍金通过论文指出经典理论中的黑洞是不存在的，并提出了新的“灰洞”理论。该理论认为，物质和能量在被黑洞困住一段时间以后，又会被重新释放到宇宙中。灰洞的概念主要是为了解决广义相对论与量子力学之间的矛盾——防火墙悖论。
2016年1月，霍金同物理学家马尔科姆·佩里（Malcolm Perry）、安德鲁·施特罗明格（Andrew Strominger）提出了新理论：让信息“逃逸”的黑洞裂口由“柔软的带电毛发”组成，它们是位于视界线上的光子和引力子组成的粒子，这些能量极低甚至为零的粒子能捕获并存储落入黑洞的粒子的信息。
黑洞照片
2017年4月5日，据英国《新科学家》杂志在线版消息称，“地球大小”的望远镜准备“穿透星系的心脏”。它由全球各地的8个射电观测台组成，模拟出一台具有行星规模的天文设备。这组巨大的天文设备名为“事件视界望远镜”（EHT），其囊括了位于西班牙、美国和南极等地的射电望远镜。望远镜目标最终指向距离地球25000光年的人马座A*黑洞以及距离地球5500万光年的M87星系黑洞。前者是位于银河系中心一个亮度极高且致密的无线电波源，属于人马座A射电源的一部分，射电源的“心脏”就是超大质量黑洞的所在，这一400万倍太阳质量的黑洞也被看作研究黑洞物理的最佳对象；而M87星系核心的黑洞质量，估计可能会达到65亿个太阳质量。EHT期望能通过对这两个黑洞方向的持续观测一睹它们的真容。
美国东部时间2019年4月10日9时（北京时间10日21时），全球多地天文学家同步公布了M87黑洞“真容”。该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心，距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍。它的核心区域存在一个阴影，周围环绕一个新月状光环。爱因斯坦广义相对论被证明在极端条件下仍然成立。
北京时间2021年3月24日晚10点，中国科学家参与的事件视界望远镜（ETH）合作组织公布最新研究成果：偏振光下M87超大质量黑洞的影像。这是继两年前成功捕获人类有史以来首张黑洞照片后的最新进展，也是人类第一次在接近黑洞边缘处测得表征磁场特征的偏振信息。这一结果对解释距离我们地球5500万光年的M87星系如何从其核心向外传播能量巨大的喷流至为关键。

图：银河系中心黑洞的首张照片是这样做成的（EHT合作组 2022）
2022年5月，在包括上海在内的全球各地同时召开的新闻发布会上，天文学家向人们展示了位于我们银河系中心的超大质量黑洞的首张照片。这一成果给出了该天体就是黑洞的实证，为理解这种被认为居于大多数星系中心的“巨兽”的行为提供了宝贵的线索。该照片由事件视界望远镜（EHT）合作组织这个国际研究团队，通过分布在全球的射电望远镜组网“拍摄”而成。
这是我们银河系中心超大质量黑洞Sgr A*的首张照片，是这个黑洞真实存在的首个直接视觉证据。该照片由分布在地球上的八个射电望远镜组成的、一个等效于地球般大小的虚拟望远镜（即EHT）所捕获。望远镜以事件视界（即，光线也无法逃脱的黑洞边界）命名。
因为黑洞不发光，所以我们看不见黑洞自身，但绕转的发光气体给出了其存在的信号：一个被亮环状结构围绕的暗弱中心区域（称之为阴影）。照片上显现出的（射电）光都是由该黑洞的强大引力弯曲所致，这个黑洞的质量超过了太阳质量的四百万倍。
这张照片是EHT团队将从Sgr A*的2017年观测数据中提取出的不同照片平均而成。

图：机器学习方法得到的全分辨率M87黑洞图像（普林斯顿高等研究院，2023）
2023年，美国普林斯顿高等研究院的研究团队使用了在2017年联网观测的“事件视界望远镜”（EHT）合作组织获得的数据，利用主成分干涉测量建模（principal-component interferometric modeling，简称PRIMO）的机器学习技术，首次将黑洞图像的分辨率达到了阵列的物理分辨率，最终生成新的M87黑洞图像。
分形几何
2015年，一个由美国、英国、意大利和奥地利科学家组成的国际研究团队，根据先前的研究和通过超级计算机的模拟，发现黑洞、引力波和暗物质均具有分形几何特征。有专家认为，这一重大发现将导致对天文学甚至物理学诸多不同领域的深刻认识。
黑洞是宇宙空间内存在的一种密度无限大、体积无限小的天体，所有的物理定理遇到黑洞都会失效；它是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而“死亡”后，发生引力坍缩产生的。当黑洞“打嗝”时，就意味着有某个天体被黑洞“吞噬”，黑洞依靠吞噬落入其中物质“成长”；当黑洞“进食”大量物质时，就会有高速等离子喷流从黑洞边缘逃逸而出。科学家利用流体动力学和引力相关理论并通过超级计算机进行模拟后得出结论——“进食”正在成长过程中的黑洞，将会使其形成分形表面。
美国著名物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）教授曾经说过：今后谁不熟悉分形几何，谁就不能被称为科学上的文化人。中国著名学者周海中教授曾经指出：分形几何不仅展示了数学之美，也揭示了世界的本质，从而改变了人们理解自然奥秘的方式；可以说分形几何是真正描述大自然的几何学，对它的研究也极大地拓展了人类的认知疆域。可见，分形几何有着极其重要的科学地位。
黑洞是宇宙中最神秘的自然现象。它为什么具有分形几何特征，其原因还是一个谜。
黑洞录音
2022年8月，美国国家航空航天局（NASA）发布了一段音频片段，声音是根据2亿光年外的英仙座黑洞的引力波而合成的。据报道，这段音波来自美国宇航局的钱德拉X射线天文台。
黑洞心跳
借助X射线望远镜，我们可以看到黑洞周围吸积盘产生的周期性光变，就像黑洞的“心跳”。最早发现心跳的天体是1992年石榴号（GRANAT）X射线卫星发现的GRS 1915+105，也是人类发现的首个银河系射电超亮源。它是一个X射线黑洞双星系统，包含一颗黑洞和一颗恒星，两者的质量都有可靠的测量，分别是约12个太阳质量和0.7个太阳质量。

黑洞前沿研究

等离子体
德国马克斯普朗克核物理研究所和赫尔姆霍茨柏林中心的研究人员使用柏林同步加速器（BESSY Ⅱ）在实验室成功产生了黑洞周围的等离子体。通过该研究，之前只能在太空由人造卫星执行的天文物理实验，也可以在地面进行，诸多天文物理学难题有望得到解决。黑洞的重力很大，会吸附一切物质。进入黑洞后，任何东西都不可能从黑洞的边界之内逃逸出来。随着被吸入的物体的温度不断升高，会产生核与电子分离的高温等离子体。
黑洞吸附物质会产生X射线，X射线反过来又会刺激其中的大量化学元素发射出具有独特线条（颜色）的X射线。分析这些线条可以帮助科学家了解更多有关黑洞附近等离子体的密度、速度和组成成分等信息。
在这个过程中，铁起了非常关键的作用。尽管铁在宇宙中的储量并不如更轻的氢和氦丰富，但是，它能够更好地吸收和重新发射出X射线，发射出的光子因此也比其他更轻的原子发射出的光子具有更高的能量、更短的波长（使得其具有不同的颜色）。
铁发射出的X射线在穿过黑洞周围的介质时也会被吸收。在这个所谓的光离化过程中，铁原子通常会经历几次电离，其包含的26个电子中有超过一半会被去除，最终产生带电离子，带电离子聚集成为等离子体，研究人员可以在实验室中重现了这个过程。
实验的核心是马克斯普朗克核物理研究所设计的电子束离子阱。在这个离子阱中，铁原子经由一束强烈的电子束加热，从而被离子化14次。实验过程如下：一团铁离子（仅仅几厘米长并且像头发丝一样薄）在磁场和电场的作用下被悬停在一个超高真空内，同步加速器发射出的X射线的光子能量被一台精确性超高的“单色仪”挑选出来，作为一束很薄但却集中的光束施加到铁离子上。
实验室测量到的光谱线与钱德拉X射线天文台和XMM牛顿望远镜所观测的结果相匹配。也就是说，研究人员在地面实验室人为制造出了太空中的黑洞等离子体。
这种新奇的方法将带电离子的离子阱和同步加速器辐射源结合在一起，让人们可以更好地了解黑洞周围的等离子体或者活跃的星系核。研究人员希望，将EBIT分光检查镜和更清晰的第三代（2009年开始在德国汉堡运行的同步辐射源PETRAⅢ）、第四代（X射线自由电子激光XFEL）X射线源结合，将能够给该研究领域带来更多新鲜活力。
人造黑洞
人造黑洞的设想最初由加拿大“不列颠哥伦比亚大学”的威廉·昂鲁（William Unruh）教授在20世纪80年代提出，他认为声波在流体中的表现与光在黑洞中的表现非常相似，如果使流体的速度超过声速，那么事实上就已经在该流体中建立了一个人造黑洞。然而，利昂哈特博士打算制造的人造黑洞由于缺乏足够的引力，除了光线外，它们无法像真正的黑洞那样“吞下周围的所有东西”。
当比我们的太阳更大的特定恒星在生命最后阶段发生爆炸时，自然界就会形成黑洞。它们将大量物质浓缩在非常小的空间内。假设在大型强子对撞机内的质子相撞产生粒子的过程中，形成了微小黑洞，每个质子拥有的能量可跟一只飞行中的蚊子相当。天文学上的黑洞比大型强子对撞机能产生的任何东西的质量更重。据爱因斯坦的相对论描述的重力性质，大型强子对撞机内不可能产生微小黑洞。然而一些纯理论预言大型强子对撞机能产生这种微型黑洞。所有这些理论都预测大型强子对撞机产生的此类黑洞会瞬间蒸发。因此它产生的黑洞将没时间吸积物质，产生肉眼可见的结果。
2008年9月10日，随着第一束质子束流贯穿整个对撞机，欧洲大型强子对撞机（LHC）正式启动。截止目前，LHC还未看到实验室中的黑洞。
黑洞炸弹
2001年1月，英国圣安德鲁大学理论物理科学家乌尔夫·莱昂哈特（Ulf Leonhardt）宣布他和其他英国科研人员将在实验室中制造出一个黑洞，当时没有人对此感到惊讶。然而俄《真理报》日前披露俄罗斯科学家的预言：黑洞不仅可以在实验室中制造出来，而且50年后，具有巨大能量的“黑洞炸弹”将使如今人类谈虎色变的“原子弹”也相形见绌。
俄罗斯科学家亚历山大·特罗菲蒙科（A. P. Trofimenko）认为，能吞噬万物的真正宇宙黑洞也完全可以通过实验室“制造出来”：一个原子核大小的黑洞，它的能量将超过一家核工厂。如果人类有一天真的制造出黑洞炸弹，那么一颗黑洞炸弹爆炸后产生的能量，将相当于数颗原子弹同时爆炸，它至少可以造成10亿人死亡。”
捕捉星云
2011年12月，一个国际研究小组利用欧洲南方天文台的“甚大望远镜”（VLT），发现一个星云正在靠近位于银河系中央的黑洞并将被其吞噬。
这是天文学家首次观测到黑洞“捕捉”星云的过程。观测显示，这个星云的质量约是地球的3倍，它的位置来逐渐靠近“人马座A*”黑洞。这个黑洞的质量约是太阳的400万倍，是距离我们最近的大型黑洞。研究人员分析认为，到2013年，这个星云将离黑洞非常近，有可能被黑洞逐渐吞噬。
黑洞无毛
黑洞内部只有三个物理量有意义：质量、电荷、角动量。
1973年霍金、卡特尔（B. Carter）等人严格证明了“黑洞无毛定理”：“无论什么样的黑洞，其最终性质仅由几个物理量（质量、角动量、电荷）惟一确定”。即当黑洞形成之后，只剩下这三个不能变为电磁辐射的守恒量，其他一切信息（“毛发”）都丧失了，黑洞几乎没有形成它的物质所具有的任何复杂性质，对前身物质的形状或成分都没有记忆。于是“黑洞”的术语发明家惠勒戏称这特性为“黑洞无毛”。
对于物理学家来说，一个黑洞或一块方糖都是极为复杂的物体，因为对它们的完整描述，即包括它们的原子和原子核结构在内的描述，需要有亿万个参量。与此相比，一个研究黑洞外部的物理学家就没有这样的问题。黑洞是一种极其简单的物体，如果知道了它的质量、角动量和电荷，也就知道了有关它的一切。黑洞几乎不保持形成它的物质所具有的任何复杂性质。它对前身物质的形状或成分都没有记忆，它保持的只是质量、角动量、电荷。消繁归简或许是黑洞最基本的特征。有关黑洞的大多数术语的发明家约克·惠勒，在60年前把这种特征称为“黑洞无毛”。
黑洞信息悖论
几十年来宇宙学家一直对黑洞会摧毁制造它的信息的问题所困扰。黑洞是由它的质量、角动量、电荷量这三个性质所决定的天体。任何被它吸入的复杂资料也只会保留这三个信息。假如是这样，那就无法知道最初形成黑洞的物体的其他特征，以及黑洞吸入的物体的其他特征。然而，量子力学中信息会被永久保存，而且你可以用那些信息重建物体的过去。
史蒂芬·霍金提出一种解决方案，他认为黑洞会产生霍金辐射，直到蒸发殆尽，因此它的过去只有从它辐射的信息里面可以找到。如何从辐射中还原这些信息仍是一个谜。
自从霍金提出了黑洞会辐射能量，黑洞是否会保留物质之前的完整信息的辩论从没有停止过。有观点认为，要了解跑进黑洞里的资料，不仅要看霍金辐射释放出的粒子，还需要看它们之间的相互作用。这些相互作用包括引力以及相互作用介质（如光子）的交换。通过这些相互作用，理论上一个观测者可以还原黑洞中物体的信息。
时间倒流
在热力学的角度，时空也被认为是全息图，根据全息原理，其与给定区域内的表面积有关，也可进一步解释为热力学的时间方向。由于过去和将来的全息屏区域在不同的方向增加，因此时间的方向可以对应着两种不同类型的全息屏。
J1144
2022年6月15日，澳大利亚国立大学的一支国际研究团队意外发现了90亿年来成长最快的黑洞。这个黑洞代号简称J1144，质量是太阳的30亿倍，平均每秒钟可“吞噬”一个地球大小的天体，其所在类星体亮度是银河系所有光亮度之和的7000倍。
喷流进动
2023年9月27日，天文学家捕捉到了M87黑洞自转的直接证据，给了解宇宙最神秘的天体提供了新的见解，该成果发表在自然杂志上。长达22年的射电观测结果表明，黑洞自转切割周围磁场让带电粒子加速产生了喷流，并且该喷流围绕黑洞以11年为周期做周期性进动。这表明黑洞的自转轴与吸积盘之间存在错位，导致喷流像陀螺一样摇摆。这一现象符合爱因斯坦的广义相对论关于“如果黑洞处于旋转状态，会导致参考系拖曳效应”的预测。

黑洞观测成果

2015年2月26日，北京大学一团队在《自然》杂志发表文章称，在一个距离128亿光年的超亮类星体（quasar，AGN的一种）里发现了一个质量为太阳120亿倍的黑洞，并且该黑洞早在宇宙形成的早期就已经存在。

2017年波兰天文学家科兹洛夫斯基（Szymon Kozłowski）利用斯隆数字巡天（Sloan Digital Sky Survey，简称SDSS）数据制作的星表指出，类星体J140821.67+025733.2的黑洞质量约1960亿太阳质量。但这一数值在学界颇有争议，被认为存在问题。

2017年12月7日，美国卡耐基科学研究所科学家发现遥远的超大质量黑洞，该黑洞质量是太阳质量的8亿倍。

2019年4月，事件视界望远镜（EHT）合作组首次公布了M87星系中心黑洞，也是人类首次拍摄的黑洞照片。

2021年4月14日，上海天文台公布最新观测成果，M87黑洞多波段“指纹”被成功捕获。

2022年5月，银河中心超大质量黑洞人马座A*的照片由EHT合作组首度公布。

2022年8月，中科院国家天文台研究人员发布EP-WXT探路者观测到的首批天体宽视场X射线图像和能谱。该仪器一次观测就能够同时探测到多个方向上的X射线源。其中，包括恒星级质量黑洞和中子星。

2022年11月4日，美国哈佛-史密森天体物理学中心研究人员发表报告称，发现目前已知距离地球最近的黑洞，位于地球以外1600光年。研究人员说，这个黑洞被命名为Gaia BH1，位于蛇夫座星系，是太阳质量的大约10倍，与其伴星的距离相当于地球和太阳的距离。先前已知的距离地球最近的黑洞位于地球以外3000光年。研究人员分析欧洲航天局空间探测器“盖亚”收集的数据时发现这个黑洞，然后用位于美国夏威夷冒纳凯阿山上的“北双子座”天文望远镜观测证实这个黑洞的存在。除距离地球最近，Gaia BH1还是一个休眠黑洞，不同于目前银河系已知的其他20多个黑洞。科学家是通过观测伴星运动发现“盖亚BH1”黑洞，伴星围绕黑洞旋转，其轨道距离与地球绕太阳运行的距离大致相同。

2022年，科学家观测到一次极其罕见的天文学奇观——潮汐瓦解事件（TDE），同时探测到有物质喷流以接近光速的速度，从黑洞中直指地球“飞奔”而出。

2023年3月29日，英国杜伦大学宣布，由学校牵头的一项研究利用引力透镜效应发现了一个超大黑洞，其质量约为太阳质量的300亿倍。

2023年4月10日，据美国趣味科学网报道，美国天文学家发现了一个“失控”的黑洞，似乎正在逃离其宿主星系，在太空中狂奔，身后拖曳着一些气体和恒星。研究团队指出，如果这一发现获得证实，将是超大质量黑洞可从其宿主星系喷射出来并在星际空间漫游的首个观测证据。相关研究刊发于《天体物理杂志快报》。

2023年5月，由英国南安普顿大学领导的一个天文学家团队捕捉到了有史以来最大的宇宙爆炸，这一事件被认为是由超大质量黑洞吞噬的巨大气体云引发的。

2023年1月9日，科学家发现两个超大质量黑洞并排“进餐”。它们同时生长，相距只有750光年，是科学家们观测到的最为接近的黑洞，它们最终将融为一个巨大的黑洞。

2023年7月消息，我国科学家领导的国际合作团队利用“中国天眼”发现，著名微类星体GRS 1915+105的黑洞存在亚秒级低频射电准周期振荡现象，就像微弱的射电“脉搏”。这是国际首次在射电波段观测到黑洞“脉搏”，有望打开黑洞射电观测和理论研究的新思路。该研究由武汉大学天文学系与中国科学院国家天文台团队牵头完成，相关成果7月27日在国际学术期刊《自然》发表。

2023年9月1日，《科学》杂志（Science）以长文（Article）形式发表了主要基于慧眼卫星观测结果的黑洞吸积磁场的最新研究成果。该项研究利用我国首颗空间X射线天文卫星慧眼号的观测数据，联合地面射电和光学望远镜观测，发现了黑洞周围磁囚禁吸积盘形成过程的直接观测证据。

2024年2月，澳大利亚国立大学研究人员领衔的团队在英国《自然·天文学》杂志上发表论文说，他们发现了迄今已知成长最快的黑洞，它每天吞噬掉的物质质量相当于一个太阳。

据澳大利亚国立大学2024年2月20日发布的新闻公报，这项研究由该校与墨尔本大学、欧洲南方天文台、法国巴黎索邦大学合作完成。这个黑洞的质量高达太阳的170亿倍，距离地球超过120亿光年。

欧洲南方天文台发布的公报指出，这个黑洞所在的类星体代号为J0529-4351，不仅是迄今观测到的最明亮类星体，也是迄今观测到的最明亮天体。

世界纪录

宇宙中密度最大的物体：黑洞是恒星的残余，它们以超新星的形式结束了自己的生命。它们的特征是一个空间区域，在这个空间中重力非常强，甚至光都无法逃逸。这个区域的边界被称为视界，在黑洞的中心是奇点，死恒星的质量被压缩到一个零大小和无限密度的单一点。正是这个奇点产生了黑洞强大的引力场。（吉尼斯世界纪录）

科学问题

2022年6月27日，在第二十四届中国科协年会闭幕式上，中国科协隆重发布10个对科学发展具有导向作用的前沿科学问题，其中包括“宇宙中的黑洞是如何形成和演化的？” 。

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