黑洞解释：它们如何形成、如何运作以及如何被最终拍摄到

美国宇航局(NASA)将黑洞定义为具有极强引力的天体，任何东西(包括光线)都无法逃逸。黑洞周围的不可返回点称为事件视界：在该边界内，逃逸所需的速度超过光速，因此任何越过它的东西都无法回来。

黑洞如何形成

最好理解的方式是恒星坍缩。据美国宇航局(NASA)称，质量超过太阳质量约20倍的恒星最终会耗尽其核心的核燃料，并在自身重力作用下坍缩。这种坍缩会触发超新星爆炸，吹离恒星的外层。如果压碎的核心残留物仍然超过约3个太阳质量，美国宇航局表示，没有已知的力能阻止坍缩一直继续到黑洞。

一旦形成，黑洞可以通过吸取周围气体、从伴星上剥离物质或与另一个黑洞合并而增长，美国宇航局在其黑洞概览页面上解释。

据美国宇航局称，在星系中心发现的超大质量黑洞的质量范围从约10万到数十亿个太阳质量，我们对它们的理解还不够充分。美国宇航局指出，它们的起源仍然是一个开放问题，因为它们似乎从星系形成的最早阶段就已存在。

事件视界、奇点以及黑洞的各部分

美国宇航局对黑洞"解剖"的描述列出了几个不同的区域。在中心是奇点，一个物质被压缩到美国宇航局描述的无限密度的点；科学家们不确定这是物理结构还是方程的数学产物。围绕它的是事件视界，这是不可逃脱的边界。再向外，来自坠入物质的光可以在黑洞周围多次环绕，然后逃逸，在直接图像中产生可见的细环——美国宇航局称之为光子球的区域。

落向黑洞的物质在越过事件视界之前通常会形成一个炽热、发光的吸积盘。在许多系统中，部分物质被重定向到以接近光速移动的粒子喷流中；在超大质量黑洞中，这些喷流可以延伸数十万光年，美国宇航局表示。

证明黑洞存在：彭罗斯、根泽尔和格兹

几十年来，黑洞只是爱因斯坦广义相对论的数学后果，而不是经过证实的物理现实。瑞典皇家科学院将2020年诺贝尔物理学奖的一半授予罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)，他1965年的证明——在科学院自己的声明中描述，由ScienceDaily报道——证明了黑洞形成是广义相对论的一个强有力和不可避免的预测，一旦足够大的、紧凑的天体坍缩，这种坍缩必然产生奇点。

奖项的另一半由Reinhard Genzel和Andrea Ghez共同获得，他们各自领导团队，使用世界上最大的一些望远镜追踪银河系中心的恒星轨道数十年。他们的工作，也在ScienceDaily报道的诺贝尔奖公告中总结，发现了一个约400万个太阳质量的不可见物体，集中在不比太阳系更大的区域内——这是现在被称为人马座A*的超大质量黑洞的有力证据。

检测无法检测的：引力波和直接成像

2015年9月14日，孪生先进LIGO探测器记录了一个信号，标记为GW150914，与两个黑洞螺旋式靠近和合并的预测波形相匹配。根据LIGO科学合作组织自己的科学总结，两个黑洞的质量分别约为太阳的36倍和29倍，合并成一个质量约为62个太阳质量的单一黑洞，距离超过10亿光年；大约3个太阳质量的物质在瞬间被转化为引力波能量。探测的统计显著性超过5西格玛，意味着这样强度的假警报大约每20万年的可比数据中出现一次，LIGO报告称。

四年后，事件视界望远镜(EHT)合作组织发布了首张黑洞阴影图像，拍摄的是M87*，位于梅西耶87星系中心的超大质量黑洞。正如美国宇航局喷气推进实验室解释的那样，EHT使用甚长基线干涉测量法将全球的射电望远镜连接成一个单一的虚拟仪器，实现的分辨率约为哈勃太空望远镜的4000倍。2017年4月的观测活动，于2019年发布，测量M87*的质量约为65亿个太阳质量，距离约5300万光年。

2022年5月12日，EHT合作组织发布了第二张具有里程碑意义的图像：人马座A*，银河系自己的中心黑洞。据AAS Nova描述，基础数据录制于2017年4月，这意味着观测和图像发布之间经过了五年多。人马座A*的质量约为400万个太阳质量，距离约27000光年——这意味着它在天空中的视大小与更大质量和更远距离的M87*大致相同，因为M87*大约远2000倍，质量大约多1500倍。据AAS Nova称，两个黑洞测量到的环和阴影大小与广义相对论的预测相符，给了天文学家独立的爱因斯坦理论确认，跨越了大规模不同的黑洞质量。

为什么这对物理学很重要

这些结果中的每一个都在爱因斯坦无法直接观测的制度中测试广义相对论：物质和时空在极端重力下。根据LIGO的分析，GW150914的引力波信号与广义相对论对螺旋靠近、合并和随后的黑洞"振铃衰减"预测的波形相匹配。据AAS Nova，EHT测量的M87*和人马座A*的环直径也与广义相对论预测相符，为科学家提供了两种独立的确认方法——引力波和直接成像——它们汇聚在同一理论框架上。