五种不同类型的黑洞

黑洞的主要特征是，当物质被挤压到一个非常小的体积时，就会形成黑洞，它的引力会产生一个事件穹界，没有任何东西能从事件穹界中逃脱，甚至光也不能。

事件视界内的一切都呈现为 "黑色"，并在其中心落入一个体积为零、密度为无限的奇点。

事件视界外是一个 "光子球"，光被困在一个圆形轨道上，处于逃逸和落入之间的中点。

光仍然可以逃出光子球，但前提是从光子球和事件穹界之间的东西向外发射。

在光子球之外，一些黑洞（约占 1%）以厄运物质的吸积盘为食，其中约有 10%的黑洞会将部分物质转化为喷流，以相对论速度从两极喷射出来。

黑洞是如何分类的？

黑洞的主要特征是它的引力，这反映在它的事件视界（"施瓦兹柴尔德半径"）的大小上，而事件视界的大小是由它的质量决定的。因此，黑洞是按照质量来分类的。

这些宇宙巨兽还能旋转并携带电荷，不过这些特征在这里并不重要，因为所有天体物理黑洞都会旋转，任何电荷都会被相反的电荷中和。

下面用太阳质量来表示五种黑洞的质量。太阳的质量是 2 × 1030 千克（2 后面有 30 个零）。因此，"5 个太阳质量 "的黑洞是太阳质量的五倍。

旋转黑洞的艺术家印象图。黑洞之所以会旋转，是因为它们是由旋转的物体形成的，必须保持角动量。

1. 原始黑洞，普遍性：未知（假设）。形成时间：宇宙早期，质量范围 10-8 千克 - 100,000 太阳质量。

黑洞通常质量很大，因为它们是由恒星形成的，有足够的引力将物质压成奇点所需的密度。不过，密度也可以通过其他方式达到。

在宇宙大爆炸后的第一秒，宇宙的密度和湍流足以产生局部的粒子袋，这些粒子被足够的力量挤压在一起，形成了 "原始黑洞"。

其中一些比羽毛还轻（几毫克），已经通过释放霍金辐射 "蒸发 "了。其他比小行星还重的黑洞今天应该仍然存在，其中一些可能经过数十亿年的时间才长到 "超大质量 "的大小。

黑洞如何 "发射 "霍金辐射？

霍金辐射实际上来自事件视界之外，以及被黑洞质量 "弯曲 "的空间区域内（想象一个球静止在一张薄板上）。

空间弯曲是导致霍金辐射发出的原因，而辐射的能量来源就是黑洞本身。因此，黑洞的质量和事件视界会慢慢缩小，直到黑洞 "蒸发"，空间恢复平坦。

斯蒂芬-霍金假设存在原始黑洞，但目前还没有观测到。考虑到黑洞的大小和不可见性，这并不奇怪。

一些物理学家甚至认为，原始黑洞可以解释 "暗物质 "之谜。

2. 恒星黑洞，普遍存在： ~每个星系约有 1 亿个（约 2 000 亿个星系），形成：恒星死亡，质量范围 3 - 100 太阳质量。

当一颗大质量恒星耗尽燃料并坍缩时，就会形成恒星黑洞。在坍缩之前，恒星的氢燃料聚变产生了一种向外的压力，这种压力抵消了重力，使恒星保持稳定（"流体静力学平衡"）。

没有了这种压力，恒星就会在超新星中甩掉外层，留下一个坍缩成奇点的残余物。

如何探测黑洞？

探测黑洞的方法有很多，比如在双星系统中，黑洞会将另一颗恒星的物质吸入吸积盘。物质被加热并发射出可以观测到的 X 射线。

相对论喷流也会发射 X 射线，不过这在较大的黑洞中更为常见。最后，黑洞会产生引力波（例如，在合并时），它们会弯曲并聚焦它们移动到前面的恒星的光线（引力透镜）。

如果恒星的质量不大，它的坍缩不会产生足够的密度来形成黑洞。我们的太阳会变成白矮星，而更大的恒星则会变成中子星，这两种恒星都是密度非常高的物质形式。

只有质量超过 ~20 个太阳质量的恒星才会留下残余物，产生足够的引力来形成黑洞。

这种残余物的质量必须超过托尔曼-奥本海默-沃尔科夫极限，即大约 2.01 到 2.16 个太阳质量。

艺术家眼中的恒星黑洞（左），它曾是双星系统的一部分，现在从其伴星（右）中汲取物质。

3. 超大质量黑洞，普遍存在： ~每个星系 1 个（~2000 亿个星系），形成：原始，或多个恒星死亡，质量范围 100,000 - 100 亿个太阳质量。

几乎每个星系的中心都有一个超大质量黑洞。它们的形成可能需要多颗大质量恒星（如红超巨星）的坍缩，这些恒星的燃料消耗很快，寿命不到 1 亿年（相比之下，恐龙的寿命更长）。

由此产生的黑洞可能会结合起来，在每个星系的中心迅速形成一个超大质量黑洞。

另一种可能是，超大质量黑洞是在宇宙早期由原始黑洞形成并长大的，后来星系在它们周围凝聚。

在极少数情况下，一个超大质量黑洞会因为与另一个星系合并而被抛出它所在的星系。

在这种情况下，两个超大质量黑洞会相互作用并产生引力波，这种引力波在一个方向上可能会更强（例如，如果它们的自旋反向对齐）。

合并后，合并的 超大质量黑洞会从这个方向反冲，以保存动量。这种情况很可能发生在CID-42星系和3C 186星系团中。

银河系的中心是人马座A*，它有400万太阳质量，距离银河系27000光年。这对于超大质量黑洞来说是很小的。

附近仙女座星系（2.5m 光年）中的黑洞大约有 1 亿个太阳质量。Messier 87星系（55米光年）中的黑洞大约有6.5b个太阳质量。

最大的超大质量黑洞可能位于凤凰A星系（8.6亿光年），约为1亿个太阳质量。

两个超大质量黑洞，位于梅西耶87星系中心的M87*（左），以及位于银河系中心的人马座A*（右）。

4. 类星体，发生率： 占超大质量黑洞的 5%-10%。形成：超大质量黑洞周围的物质吸积，质量范围 100,000 - 1000 亿个太阳质量。

一些超大质量黑洞会聚集一个大吸积盘，其中的物质被撞击在一起，发出各种电磁辐射（无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线）。

这些 "活动星系核 "的亮度是其宿主星系的数倍，被称为类星体。

宇宙中最亮的类星体在 33 光年外看起来就像太阳一样亮。这颗类星体每年吞噬的物质相当于一千个太阳，或每秒吞噬十个地球。

当类星体的吸积盘耗尽时，类星体就会变成普通的超大质量黑洞，这也是类星体在宇宙早期比较常见的原因，不过星系合并也会产生类星体。因此，最近的类星体在 6 亿光年之外。

大约 10%的类星体是 "射电巨响"，它们会发出相对论喷流，是 X 射线和无线电波的强大来源。

喷流是类星体在快速旋转时产生的，类星体的 "日冕 "由弥散物质组成，能产生强大的磁场（该磁场似乎具有类似 DNA 的螺旋结构）。

类星体一词来源于过时的术语 "准恒星物体"（QSO）。当类星体的喷流指向我们时，也被称为 "类星体"，这使得类星体看起来更加明亮。

5. 中等质量黑洞，普遍程度：未知（假设），形成：原始，或多个恒星死亡，质量范围 100 - 100,000 太阳质量。

中等质量黑洞的质量范围，介于恒星黑洞和超大质量黑洞之间。与超大质量黑洞一样，它们也可能是由早期宇宙中的原始黑洞成长而来的，也许在许多黑洞成长为超大质量黑洞之前就已经存在了。

因此，中等质量黑洞可能仍然存在于较小的 "矮 "星系中心，因为星系核的质量与其宿主星系的质量有关。

不过，这些星系的质量通常为~100,000太阳质量，可以归类为中等质量黑洞。

在较低质量范围内，恒星黑洞的合并可以形成 中等质量黑洞。不过，这种合并通常接近 100 个太阳质量，可以归类为 "恒星"。

不过，黑洞合并可能是在球状星团中产生约1000个太阳质量的中等质量黑洞的一种机制，在球状星团中，许多恒星在很近的地方诞生和死亡。

一些证据表明，Messier 4星团中有一个800个太阳质量的中等质量黑洞，这表明一个星团可以表现得像一个中间有一个（相对）小黑洞的小星系。

关于黑洞的持续研究，有恒星坍缩形成的恒星黑洞，也有位于星系中心的超大质量黑洞，其中有些黑洞因为吸积物质而成为极其明亮的 "类星体"。

可能还有其他介于恒星和超大质量黑洞之间的黑洞，以及更小的原始黑洞，但这方面的研究仍在进行中。

事实上，科学界对黑洞的兴趣之浓厚可与天体本身的巨大相媲美。新的望远镜和成像方法在不断研发，新的发现也在不断出现。

十年之后，我们对黑洞的了解将远远超过今天。