當東線戰場的屠殺在他周圍肆虐時，一位在第一次世界大戰中的德國中尉消化了阿爾伯特·愛因斯坦的新理論。在愛因斯坦發表廣義相對論不到兩個月後，卡爾·史瓦西，一位儘管年齡超過40歲且是物理學家仍應徵入伍的人，找到了一種方法利用它來描述球形、非旋轉質量（如靜止的恆星或行星）的時空。隱藏在史瓦西的工作中的一個暗示指向了時空的終極扭曲者：黑洞。幾個月後，即1916年5月，他去世了，年僅42歲。但史瓦西開始的探索已經持續了一個世紀，最終促成了2020年諾貝爾物理學獎。
該獎項授予數學物理學家羅傑·彭羅斯，以表彰他“發現黑洞的形成是廣義相對論的可靠預測”，以及天體物理學家安德烈婭·蓋茲和萊因哈德·根澤爾，“因為他們發現了銀河系中心的超大質量緻密天體”。這是首次專門為黑洞頒發的諾貝爾獎——承認了它們毋庸置疑的存在（儘管在後半部分獎項的措辭中有所保留）。“如今，我們認為這些事情是理所當然的，”密西西比大學的物理學家萊奧·斯坦說道。“我們已經走了這麼遠，至少在我們的天體物理學界內部，我們認為，‘當然有黑洞。’”
但情況並非總是如此。幾十年來，黑洞的概念只不過是一種數學上的異常。在1916年之後的幾年裡，史瓦西的解引起了數學家和物理學家的興趣和一些驚愕。他的工作預測了一個“史瓦西半徑”——一個半徑，表示一個物體需要有多緻密才能阻止光逃脫其引力。例如，太陽的實際半徑接近70萬公里，但其史瓦西半徑僅為三公里。
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時空彎曲的程度相對於物體的史瓦西半徑除以其實際半徑。這兩個值越接近，時空彎曲得越厲害。那麼，當物體的半徑等於其史瓦西半徑時會發生什麼？如果物體的半徑為零又會發生什麼？這些問題的答案被稱為奇點——相當於計算器上除以零的未定義解。在奇點處，時空似乎彎曲到了崩潰點。
在接下來的幾十年裡，物理學家取得了一些進展，但這項研究主要是一種數學上的消遣，與現實世界沒有任何聯絡。史瓦西的工作提出的奇異的——當時完全是理論上的——物體可能像太陽一樣重，但比中央公園還小，或者更奇怪的是，在一個半徑為零的範圍內包含一顆恆星的質量。“人們認為，‘好吧，這只是異想天開。我們完全超出了我們的物理理論應該適用的範圍，’”普林斯頓大學的物理學家弗朗斯·普雷托里烏斯說道。
可怕的數學
在20世紀60年代，史瓦西的解開始顯得更加相關。天文學家開始觀察到極端現象，例如遙遠的星系噴射出能量和數量對於一顆普通恆星來說是不可能的粒子（被稱為“類星體”——“準恆星物體”的縮寫——這些高能爆發最終被追溯到吞噬盛宴的超大質量黑洞）。與此同時，理論家開始模擬超緻密宇宙天體的動力學，尋找避免與奇點相關的陷阱的巧妙方法。彭羅斯，當時是一位對天體物理學有著濃厚興趣的年輕數學家，正處於幫助被數學難題困擾的科學家的最佳位置。
“（物理學家）會爭論。他們會得到彼此不一致的答案，”阿肯色大學的天體物理學家和科學史學家丹尼爾·肯尼菲克說道。“事實證明，原因是他們並沒有真正理解無窮大的結構，而彭羅斯解決了這個問題。”
為了處理廣義相對論在時空極度彎曲時的複雜性，例如與史瓦西半徑大小相同的物體，彭羅斯提出了一套數學工具。特別是，他引入了“陷獲面”的數學概念，使物理學家能夠自信地確定事件視界——即使光也永遠無法逃脫引力無情拉扯的點。（非旋轉黑洞的事件視界位於其史瓦西半徑處。）事件視界透過在奇點周圍設定一道無法逾越的屏障，幫助處理了奇點的棘手性。“我們真的不喜歡有奇點，”斯坦說道。“事實上，我們可以切掉黑洞時空的內部，並用……粉紅色的大象或其他東西代替它。從外部來看，你永遠無法分辨出區別，因為它都被隱藏在視界之後。”彭羅斯的“宇宙審查”思想是，不可能存在“裸露的”奇點：所有奇點都必須被事件視界“包裹”。即使黑洞碰撞並融合，奇點——或粉紅色的大象——仍將被其事件視界隱藏，防止它們的存在將外部宇宙推向混亂。
對幾何學和M. C. 埃舍爾等藝術家的迷戀也促使彭羅斯開發出強大、直觀的圖表，捕捉到以前無法企及的時空動力學。他的圖表壓縮了空間和時間，將無窮大放置在頁面上，而不是讓它們延伸到遠處。“一旦它出現在頁面上，你就可以研究它，”肯尼菲克說道。“彭羅斯是一位卓越的工具製造者。他發明了許多在那個時期用於理解黑洞以及我們今天仍在使用的工具。”到20世紀60年代末，“黑洞”一詞已成為描述這些假設的——但現在不太可能的——廣義相對論結果的公認術語。
天體物理學驚悚片
很難準確指出何時大多數物理學家成為信徒，但到20世紀90年代中期，即使沒有對黑洞的直接觀測，黑洞也已被認為是理所當然的。一些最具體的證據將來自蓋茲和根澤爾對人馬座A*的獨立研究，當時懷疑人馬座A*是銀河系中心的超大質量黑洞。“通常當我們解釋天文觀測時，對於其他一些可能性存在一些迴旋餘地，”馬里蘭大學帕克分校的天文學家蘇維·格扎裡說道。“我們銀河系中心的美妙之處在於，測量結果不允許存在四百萬太陽質量黑洞以外的任何其他可能性。”
為了達到如此高的精度，蓋茲和根澤爾各自獨立領導團隊，花費了十多年的時間跟蹤S02的路徑，這是一顆圍繞人馬座A*執行的短橢圓軌道恆星。在S02繞銀河系中心執行的16年裡，研究人員透過一種稱為自適應光學的技術，極大地改進了他們望遠鏡的測量結果，該技術使用雷射來校正光線穿過地球大氣層時引起的模糊。
當S02完成圍繞一片黑暗虛空的完整軌道時，黑洞的存在再清楚不過了。從那時起，天文學家已經對黑洞進行了其他直接觀測。
2012年，格扎裡領導一個團隊，以前所未有的細節觀察到了一次潮汐瓦解事件——一個對於黑洞撕裂靠得太近的恆星內臟的委婉名稱。由於恆星的其餘部分被拋開，另一星系中的恆星兇殺案看起來有點像更亮、更長的超新星。“我曾經稱之為受害者的‘指紋’——在這種情況下，受害者是恆星，”格扎裡說道。
更多事件，例如兩個黑洞的合併以及雷射干涉引力波天文臺（LIGO）和Virgo實驗捕獲的隨之而來的引力波，進一步證明了這些物體的存在。但迄今為止最令人震驚的證據可能是事件視界望遠鏡（EHT）拍攝的位於梅西耶87星系中心的超大質量黑洞的影像，該黑洞擁有數十億個太陽質量。現在標誌性的影像，一個被我們太陽系大小的吸積盤發出的強烈光芒環繞的黑色圓圈，消除了任何疑慮。
這些對黑洞及其陰影的觀測不僅僅是對愛因斯坦理論的證實。隨著EHT解析度的提高，它將測試最初預測其存在的理論。“黑洞陰影是一個很好的測試，因為替代理論預測的東西與廣義相對論預測的不同，”亞利桑那大學和EHT的天體物理學家費里亞爾·厄澤爾說道。
2020年，透過仔細審查EHT看到的陰影形狀，厄澤爾和她的同事對廣義相對論進行了一些最精確的測量。到目前為止，這些測量結果與預測相符，但有可能隨著精度的提高，偏離廣義相對論的偏差將顯現出來，從而暗示更深層次的潛在理論。
對於天文學家、天體物理學家和數學家來說，黑洞輪流是可怕而美麗的；它們在物理學上非同尋常，但在普遍性上卻很普通。它們繼續吸引著希望解開宇宙新秘密的研究人員。對於觀看的公眾來說，也存在一些吸引力。進化生物學家“斯蒂芬·傑伊·古爾德曾著名地問道，‘為什麼恐龍變得如此受歡迎？’並認為它們應該如此受歡迎並非顯而易見，”肯尼菲克說道。他認為，黑洞與恐龍有一些相同的特徵：它們看起來很大，它們吃東西，而且它們有點可怕——但令人欣慰的是它們離我們很遙遠。