黑洞（英文：Black Hole，简称BH）是由广义相对论所预言的、存在于宇宙空间中的一种致密天体。这一概念源于爱因斯坦的引力理论，描述了一种引力极其强大的天体，其强大程度使得视界内的逃逸速度甚至超过光速。因此，黑洞被定义为时空曲率大到光都无法从其事件视界逃脱的天体。
从物理学角度深入阐释，黑洞是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。在事件视界的范围之内，任何物质与信息均不可见，这也正是“黑洞”这一名称的直观体现。
历史发现与命名渊源
黑洞概念的数学基础最早可追溯至1916年。当时，德国天文学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）通过计算得到了爱因斯坦场方程的一个真空解。这个革命性的解表明：如果一个静态球对称星体的实际半径小于一个与其质量相关的特定值，其周围就会产生奇异的现象——存在一个被称为“视界”的界面。一旦物质或光线进入这个界面，就将永远无法逃脱。这个决定性的临界值被命名为“史瓦西半径”。
然而，“黑洞”这一生动形象的名称并非由物理学家最初提出。1964年，科学记者安·尤因（Ann Ewing）在一篇文章中首次使用了“黑洞”一词来描述这种不可思议的天体。随后，这一术语被美国著名物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒（John Archibald Wheeler）采纳并大力推广，最终成为科学界与公众共同接受的标准称谓。
进入21世纪，关于黑洞的观测研究持续取得突破。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》杂志上发表论文宣布，他们发现了迄今已知成长最快的黑洞。这个宇宙“巨兽”每天吞噬掉的物质质量相当于一个太阳。紧接着在2025年4月，一支国际研究团队确认发现了在太空中独自漂流的孤立黑洞，进一步拓展了人类对黑洞存在形式的认知。
广义相对论视角下的黑洞本质
从广义相对论的角度审视，黑洞的本质可通过以下几个核心概念来理解：
时空曲率极大：爱因斯坦的广义相对论揭示了物质和能量会使时空结构发生弯曲。黑洞通常由大质量恒星演化末期发生引力坍缩而形成。在坍缩过程中，巨量物质被压缩到极小的空间区域内，导致该区域的物质密度趋近于无穷大，从而产生极强的引力场。这种极强的引力使得周围的时空结构极度扭曲，形成所谓的“时空曲率极大”状态。
jrhz.info
事件视界：这是黑洞最关键的边界特征。事件视界是黑洞周围的一个理论边界，在此边界以内，任何物体（包括传播速度最快的光线）都无法逃脱黑洞的引力束缚。一旦物质或光线越过事件视界，它们将不可避免地被拉向黑洞中心的奇点。值得注意的是，事件视界的大小与黑洞的质量成正比——质量越大的黑洞，其事件视界的半径也越大。
光无法逃脱的特性：由于黑洞的引力极强，即使是以光速运动的光子也无法克服这种引力而从黑洞中逃离。这正是黑洞被称为“黑”的根本原因：它既不发射也不反射任何电磁辐射☢️，因此人类无法通过传统的光学手段直接“看见”黑洞。目前，科学家主要依靠探测黑洞对周围物质产生的引力效应、吸积盘辐射☢️以及引力波等间接方式来推断其存在与性质。
黑洞的形成机制与恒星演化
黑洞的形成与大质量恒星的演化终结密切相关。根据恒星演化理论，能最终形成黑洞的恒星，其原始质量通常应大于太阳质量的25倍以上。这样的恒星在生命晚期会发生极其剧烈的超新星爆发。
恒星的演化始于其核心的氢核聚变。最初恒星只含有氢元素，在内部高温高压条件下，氢原子核相互碰撞发生聚变，生成氦并释放巨大能量。这些能量产生的向外压力与恒星自身的万有引力相抗衡，维持着恒星结构的稳定。随着氢燃料的消耗，氦元素开始参与聚变，生成更重的元素。这个过程按照元素周期表的顺序依次进行，直至生成铁元素。
铁元素的出现标志着恒星核合成过程的终结。因为铁原子核非常稳定，参与聚变时释放的能量反而小于触发聚变所需能量，导致聚变反应停止。此时，恒星内部不再有足够的能量来抵抗自身巨大的万有引力，平衡被打破，恒星核心开始急速向内坍缩。
依据爱因斯坦的广义相对论，当一颗垂死恒星崩溃时，它会向中心塌缩。如果坍缩后剩余核心的质量大于托尔曼-奥本海默-沃尔科夫极限（Tolman-Oppenheimer-Volkoff Equation，简称TOV极限，估计在2.5-4倍太阳质量左右），引力坍缩将无限进行下去，直到形成体积无限小、密度几乎无限大的奇点。当坍缩天体的半径收缩到小于其史瓦西半径时，质量导致的时空扭曲就达到极致，使得光也无法向外射出——黑洞就此诞生。
具体而言：当恒星核心剩余质量小于TOV极限时，它将形成一颗中子星，支撑星体的压力来自中子间的强相互作用和简并压。而当核心质量大于TOV极限时，收缩过程将无休止地进行，连中子间的排斥力也无法阻挡。中子本身在自身引力的极端挤压下被碾碎，最终形成密度高到难以想象的物质状态。
然而，外部的观测者实际上无法直接“看到”黑洞形成的过程。由于广义相对论预言的引力时间膨胀效应，外部观测者只能看到坍缩物质在视界上方逐渐变慢直到停止。来自坍缩物质的光抵达观测者的时间会越来越延迟，在抵达视界前一刻发出的光会无限期延迟。因此，外部观测者从未见到事件视界的形成；相对地，坍缩物质变得越来越暗，最终逐渐从视野中消失。
黑洞的探测与观测证据
既然黑洞本身不发光，天文学家如何发现并研究它们呢？黑洞通常是通过它们聚拢周围气体产生辐射☢️而被发现的，这一过程被称为吸积。
吸积是天体物理中最普遍的过程之一，宇宙中许多常见结构的形成都与之相关。在宇宙早期，气体朝由暗物质造成的引力势阱中心流动，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。而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。
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。天文学家已经观测到了辐射☢️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☢️对黑洞的自转以及中央延展物质系统的流动产生重要影响。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%的星系有着剧烈的活动，其物理特征呈现快速、明显的变化。这些活动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。令人震惊的是，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。如此高的辐射☢️效率，只有黑洞吸积过程才能实现。这样的星系核被称为活动星系核（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，它吸积周围气体形成了一个约几倍至1000倍史瓦西半径的吸积盘。与此同时，在垂直吸积盘的方向会高速喷出电子和其他电离气体，在两侧形成长达0.1至数秒差距（parsec，简称pc）的壮观喷流。喷流的产生是由于电子在黑洞强磁场的作用下向外加速运动，但在黑洞周围稠密气体云团的束缚下，电子只能从气体最薄弱处喷射出来，从而形成方向十分固定的喷流。观测表明，喷流中的电子最快可以接近光速。
关于喷流的能量来源，科学界主要有两种理论模型：“提取黑洞转动能”模型和“提取吸积盘转动能”模型。天文学家通过计算两种模型预言的辐射☢️并与实际观测对比发现，通过磁场提取黑洞转动能的模型所预言的喷流与观测结果一致，而另一个通过磁场提取吸积盘转动能的模型则难以解释观测数据。
黑洞的热力学与量子特性
传统观念认为黑洞是“只进不出”的引力陷阱，但现代物理学的深入研究表明，黑洞具有更为丰富的物理性质。
从热力学角度来看，黑洞具有熵和温度等热力学性质。黑洞的熵与事件视界的面积成正比，而其温度则与质量成反比。这意味着黑洞并非是一个完全“死寂”的天体，而是具有一定的热动力学行为，会通过特定过程缓慢地释放能量。
从量子力学角度探索，黑洞与量子场论的结合引发了许多深刻的理论探讨，其中最著名的当属“黑洞信息悖论”。理论上认为，在黑洞的事件视界附近，量子效应会导致粒子-反粒子对的随机产生。其中一个粒子可能会落入黑洞，而另一个粒子则可能逃逸，形成所谓的霍金辐射☢️。这一理论显示了黑洞与量子世界之间的微妙联系。
霍金辐射☢️理论由英国物理学家史蒂芬·霍金（Stephen William Hawking）于1974年提出。该理论基于量子物理中的“隧道效应”现象：在量子世界中，一个粒子的概率密度分布虽然倾向于能量较低的区域，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“势垒”。对光子而言，黑洞的边界就是这样一堵能量极高的势垒，但光子仍有一定概率隧穿出去。
霍金通过精妙计算，将广义相对论与量子理论相结合，提出了黑洞辐射☢️的理论模型。他假设在黑洞附近，量子涨落会导致正粒子-反粒子对的创生。如果这一过程发生在黑洞事件视界附近，可能有四种情况发生：两粒子相互湮灭；两粒子都被吸入黑洞；正粒子被吸入黑洞而反粒子逃逸；反粒子被吸入黑洞而正粒子逃逸。
对于最后一种情况：在黑洞附近创生的一对粒子中，反粒子被吸入黑洞，而正粒子逃逸。由于能量守恒定律，若设反粒子携带负能量，正粒子携带正能量，那么反粒子被吸入黑洞可视为一个正粒子从黑洞逃逸。这种情况下，一个携带从黑洞里来的正能量的粒子逃逸了，意味着黑洞的总能量减少。根据爱因斯坦的质能方程E=mc²，能量的损失必然导致质量的损失。
霍金计算出黑洞辐射☢️光子的温度公式，这一现象被称为霍金辐射☢️。在经典的广义相对论框架中，由于没有光子能从黑洞中逃逸，黑洞的温度被认为是绝对零度。但霍金理论表明，每个黑洞都有一定的温度，且温度高低与黑洞质量成反比：大黑洞温度低，蒸发微弱；小黑洞温度高，蒸发强烈，类似剧烈爆发。
黑洞的演化与最终命运
霍金辐射☢️理论深刻地改变了人们对黑洞演化与最终命运的理解。
当黑洞通过霍金辐射☢️损失质量时，它的温度会升高，发射率增加，从而导致质量损失得更快。不过，这种“霍金辐射☢️”对大多数黑洞来说微弱到可以忽略不计。理论计算表明，一个太阳质量的黑洞，大约需要10⁶⁷年才能通过霍金辐射☢️蒸发殆尽——这个时间尺度远超当前宇宙的年龄（约138亿年）。
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，恒星质量级及更大的黑洞在可观测宇宙时期内，质量实际上是只增不减的。只有质量小于月球质量（对应直径小于0.1毫米）的微型黑洞，其霍金辐射☢️才显著到可能被观测。这样的小黑洞会以极高的速度辐射☢️能量，例如一颗小行星质量的黑洞可能在10¹⁹秒内蒸发得干干净净。
宇宙中黑洞的霍金辐射☢️极难直接观测，但有学者提出，原初黑洞（形成于宇宙早期的微型黑洞）在蒸发到最后阶段可能会释放伽马射线暴。不过，这一理论预测尚未得到观测证实。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🔭等重要观测设备，正持续寻找这类可能的爆发信号，以期验证霍金辐射☢️理论。
黑洞作为广义相对论最极端的预言之一，不仅挑战着人类对时空本质的理解，也成为了连接宏观引力理论与微观量子世界的独特桥梁。从史瓦西的数学解到霍金的量子理论，从理论预言到实际观测，黑洞研究已经走过了百年历程。
2024年发现的“成长最快的黑洞”和2025年确认的“孤立黑洞”只是黑洞研究新篇章的开始。随着事件视界望远镜🔭（EHT）拍摄到M87星系和银河系中心黑洞的阴影图像，以及引力波天文台探测到黑洞并合产生的时空涟漪，人类正在步入一个多信使、多波段研究黑洞的新时代。
黑洞不仅仅是宇宙中的奇特天体，它们更是检验物理学基础理论的天然实验室。对黑洞的深入研究，不仅有助于理解星系的形成与演化、宇宙的大尺度结构，还可能为统一广义相对论与量子力学——这一现代物理学最大难题——提供关键线索。在探索宇宙最深奥秘的道路上，黑洞将继续吸引并激发一代代科学家与普通大众的好奇心与想象力。
