想象一下，一個物體的引力如此強大，以至於任何東西，甚至光，一旦落入其中都無法逃脫。這樣的一個龐然大物就像一個無限深的洞，並且完全是黑色的。
應該有人為它想出一個朗朗上口的名字。
黑洞可能是公眾中最受歡迎的天文物體。每當我演講時，即使我的主題完全不同，聽眾也會向我提出關於黑洞的問題。人們喜歡好的怪物故事，而黑洞是其中最可怕的。
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在很長一段時間裡，它們只是一種假設。然後，在 20 世紀 60 年代，天體物理學家發現了黑洞的第一個直接證據，它潛伏在相對較近的銀河系內。但是，如果根據定義，它是實際上不可見的，你如何找到它呢？
令人驚訝的是，有很多方法可以揭示這些貪婪的物體。具有諷刺意味的是，正是使它們如此黑暗的東西——它們的引力——暴露了它們的存在。
我們首次瞥見黑洞是在 1964 年，透過兩枚小型亞軌道探測火箭發射升空，用於探測和繪製天空大部分割槽域的 X 射線源。其中一個源位於天鵝座，非常強大，並出現在許多後續觀測中。天文學家將其命名為天鵝座 X-1，因為它是該星座中發現的第一個 X 射線源。隨著觀測的改進，天文學家可以精確定位天空中的這個源，揭示在其位置上有一顆明亮的恆星，距離地球約 7,000 光年。即使這顆恆星質量巨大且發光，它也遠不具備發射探測到的那麼多的 X 射線的能力。所有這些輻射都來自其他東西。
理論預測，該源必定是黑洞。如果黑洞靠近恆星軌道執行，其異常強大的引力可以從該恆星中吸取物質。這種物質螺旋式地進入黑洞，並最終落入其中。但首先，它在黑洞的不歸點——邊界，稱為事件視界，光也無法逃脫的邊界之上形成一個扁平的圓盤，稱為吸積盤。靠近黑洞軌道執行的物質移動得更快——接近光速！——而更遠處的物質移動得更慢。當圓盤中的物質相互摩擦時，它會產生大量的摩擦，加熱到數百萬度。熱物質發光，而這種物質非常熱，因此它會發出大量的光。我們可以看到那束光，並非偶然，因為它是在黑洞事件視界之外發出的。
該輻射包括 X 射線，X 射線只是一種高能量的光。實際的物理學極其複雜，涉及強度驚人的漩渦磁場，但最終，就在黑洞的事件視界之上，物質可以爆發 X 射線。這曾經是——現在仍然是——天鵝座 X-1 是黑洞的極其有力的證據。
對其位置上的大質量恆星的進一步研究也支援了該結論：研究表明，這顆恆星與一個巨大的物體緊密軌道執行，該物體的質量約為太陽質量的 20 倍，但不發光。如此巨大的恆星將非常明亮，因此無論伴星是什麼，它都是黑暗的。因此，它是一個黑洞。（奇怪且相當有趣的是，黑洞存在的證據之一是當我們沒有看到它們時。）
在天鵝座 X-1 被證實為恆星質量黑洞的同時，天文學家還發現了一些距離更遠的物體，有些距離數十億光年，但仍然非常明亮，以至於最初被誤認為是恆星。如此遙遠的“類星體”或類星體必須非常明亮才能被看到。天文學家最終意識到，類星體必須由巨大的黑洞提供動力，每個黑洞的質量是太陽質量的數百萬甚至數十億倍。大量物質流入其中，形成巨大而發光的吸積盤，這些吸積盤非常明亮，以至於可以從宇宙的另一端看到。我們現在知道，幾乎所有的大星系中心都有這樣一個超大質量黑洞——銀河系的被稱為人馬座 A*，或 Sgr A*，質量約為太陽的四百萬倍——並且這些物體深刻地影響著整個星系的誕生和成長。現在很少有星系吞噬足夠的物質而成為發光的類星體，但確實有足夠的星系這樣做，以至於我們在宇宙中看到了數百萬個這樣的“活躍”星系。
然而，黑洞不需要如此張揚地宣佈它們的存在。一些恆星質量黑洞與它們的伴星位於更寬的軌道上，並且沒有吸積物質。即使在這些情況下，細緻的測量也可以揭示伴星繞緊湊的黑暗物體執行的運動。然而，這非常難以檢測，只有少數黑洞是以這種方式發現的。利用歐洲航天局蓋亞探測器關於恆星運動的資料，天文學家最近發現了一個距離地球僅 2,000 光年的黑洞。據推測，甚至更靠近我們的黑洞也存在，只是尚未被發現。我們可能沒有任何危險——在銀河系中遇到漂流黑洞的機率非常小。但僅在我們的星系中，可能就有數千萬個這樣的靜止黑洞。
有時，黑洞也不必在物理上靠近任何其他物體來揭示其存在。阿爾伯特·愛因斯坦的傑出想法之一是引力會扭曲空間，光必須沿著扭曲的路徑傳播，就像卡車在彎曲的道路上行駛一樣。穿過黑洞強大引力場的光可能會發生劇烈扭曲，這種效應稱為強引力透鏡。天文學家最近使用這種方法發現並稱量了一個超大質量黑洞，該黑洞在一個距地球近 30 億光年的星系中，宇宙尺度超過 300 億個太陽質量。它恰好幾乎與一個更遙遠的星系位於同一方向，並且背景星系光線中的扭曲揭示了黑洞的存在和巨大的質量。
在相關的愛因斯坦預測效應中，當兩個黑洞碰撞時，它們會在時空結構中發出強大的漣漪，稱為引力波。許多大質量恆星誕生於雙星系統中，而這種系統中的兩顆恆星中的每一顆都可能反過來作為超新星爆炸，留下一個黑洞。隨著時間的推移，這兩個緻密物體螺旋式地聚集在一起，直到它們在巨大的引力波爆發中合併。這些引力波於 2015 年首次被探測到，並且我們現在已經看到了 100 多個此類事件。歐洲航天局的一項名為雷射干涉儀空間天線（LISA）的任務旨在探測巨大的引力波，包括來自超大質量黑洞合併的引力波，據信這些合併發生在整個星系碰撞之後。LISA 可能會在其預計於 2030 年代中期發射後發現數百個此類事件。
我們對黑洞的理解經歷了從認為它們純粹是假設到很快就在各處看到它們的過程。我們現在知道它們在恆星和星系的演化中起著至關重要的作用，但我們仍然有更多的問題而不是答案。它們是如何形成的？超大質量黑洞在宇宙初期是如何如此迅速地變得如此之大的？它們會消亡嗎？
黑洞可以隱藏，但老實說，在很多情況下，它們在這方面做得並不好。我們可以發現它們，而且我們做得越多，就能找到更多的答案。