想象一下，一个物体的引力如此强大，以至于任何东西，甚至光，一旦落入其中都无法逃脱。这样的一个庞然大物就像一个无限深的洞，并且完全是黑色的。
应该有人为它想出一个朗朗上口的名字。
黑洞可能是公众中最受欢迎的天文物体。每当我演讲时，即使我的主题完全不同，听众也会向我提出关于黑洞的问题。人们喜欢好的怪物故事，而黑洞是其中最可怕的。
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在很长一段时间里，它们只是一种假设。然后，在 20 世纪 60 年代，天体物理学家发现了黑洞的第一个直接证据，它潜伏在相对较近的银河系内。但是，如果根据定义，它是实际上不可见的，你如何找到它呢？
令人惊讶的是，有很多方法可以揭示这些贪婪的物体。具有讽刺意味的是，正是使它们如此黑暗的东西——它们的引力——暴露了它们的存在。
我们首次瞥见黑洞是在 1964 年，通过两枚小型亚轨道探测火箭发射升空，用于探测和绘制天空大部分区域的 X 射线源。其中一个源位于天鹅座，非常强大，并出现在许多后续观测中。天文学家将其命名为天鹅座 X-1，因为它是该星座中发现的第一个 X 射线源。随着观测的改进，天文学家可以精确定位天空中的这个源，揭示在其位置上有一颗明亮的恒星，距离地球约 7,000 光年。即使这颗恒星质量巨大且发光，它也远不具备发射探测到的那么多的 X 射线的能力。所有这些辐射都来自其他东西。
理论预测，该源必定是黑洞。如果黑洞靠近恒星轨道运行，其异常强大的引力可以从该恒星中吸取物质。这种物质螺旋式地进入黑洞，并最终落入其中。但首先，它在黑洞的不归点——边界，称为事件视界，光也无法逃脱的边界之上形成一个扁平的圆盘，称为吸积盘。靠近黑洞轨道运行的物质移动得更快——接近光速！——而更远处的物质移动得更慢。当圆盘中的物质相互摩擦时，它会产生大量的摩擦，加热到数百万度。热物质发光，而这种物质非常热，因此它会发出大量的光。我们可以看到那束光，并非偶然，因为它是在黑洞事件视界之外发出的。
该辐射包括 X 射线，X 射线只是一种高能量的光。实际的物理学极其复杂，涉及强度惊人的漩涡磁场，但最终，就在黑洞的事件视界之上，物质可以爆发 X 射线。这曾经是——现在仍然是——天鹅座 X-1 是黑洞的极其有力的证据。
对其位置上的大质量恒星的进一步研究也支持了该结论：研究表明，这颗恒星与一个巨大的物体紧密轨道运行，该物体的质量约为太阳质量的 20 倍，但不发光。如此巨大的恒星将非常明亮，因此无论伴星是什么，它都是黑暗的。因此，它是一个黑洞。（奇怪且相当有趣的是，黑洞存在的证据之一是当我们没有看到它们时。）
在天鹅座 X-1 被证实为恒星质量黑洞的同时，天文学家还发现了一些距离更远的物体，有些距离数十亿光年，但仍然非常明亮，以至于最初被误认为是恒星。如此遥远的“类星体”或类星体必须非常明亮才能被看到。天文学家最终意识到，类星体必须由巨大的黑洞提供动力，每个黑洞的质量是太阳质量的数百万甚至数十亿倍。大量物质流入其中，形成巨大而发光的吸积盘，这些吸积盘非常明亮，以至于可以从宇宙的另一端看到。我们现在知道，几乎所有的大星系中心都有这样一个超大质量黑洞——银河系的被称为人马座 A*，或 Sgr A*，质量约为太阳的四百万倍——并且这些物体深刻地影响着整个星系的诞生和成长。现在很少有星系吞噬足够的物质而成为发光的类星体，但确实有足够的星系这样做，以至于我们在宇宙中看到了数百万个这样的“活跃”星系。
然而，黑洞不需要如此张扬地宣布它们的存在。一些恒星质量黑洞与它们的伴星位于更宽的轨道上，并且没有吸积物质。即使在这些情况下，细致的测量也可以揭示伴星绕紧凑的黑暗物体运行的运动。然而，这非常难以检测，只有少数黑洞是以这种方式发现的。利用欧洲航天局盖亚探测器关于恒星运动的数据，天文学家最近发现了一个距离地球仅 2,000 光年的黑洞。据推测，甚至更靠近我们的黑洞也存在，只是尚未被发现。我们可能没有任何危险——在银河系中遇到漂流黑洞的几率非常小。但仅在我们的星系中，可能就有数千万个这样的静止黑洞。
有时，黑洞也不必在物理上靠近任何其他物体来揭示其存在。阿尔伯特·爱因斯坦的杰出想法之一是引力会扭曲空间，光必须沿着扭曲的路径传播，就像卡车在弯曲的道路上行驶一样。穿过黑洞强大引力场的光可能会发生剧烈扭曲，这种效应称为强引力透镜。天文学家最近使用这种方法发现并称量了一个超大质量黑洞，该黑洞在一个距地球近 30 亿光年的星系中，宇宙尺度超过 300 亿个太阳质量。它恰好几乎与一个更遥远的星系位于同一方向，并且背景星系光线中的扭曲揭示了黑洞的存在和巨大的质量。
在相关的爱因斯坦预测效应中，当两个黑洞碰撞时，它们会在时空结构中发出强大的涟漪，称为引力波。许多大质量恒星诞生于双星系统中，而这种系统中的两颗恒星中的每一颗都可能反过来作为超新星爆炸，留下一个黑洞。随着时间的推移，这两个致密物体螺旋式地聚集在一起，直到它们在巨大的引力波爆发中合并。这些引力波于 2015 年首次被探测到，并且我们现在已经看到了 100 多个此类事件。欧洲航天局的一项名为激光干涉仪空间天线（LISA）的任务旨在探测巨大的引力波，包括来自超大质量黑洞合并的引力波，据信这些合并发生在整个星系碰撞之后。LISA 可能会在其预计于 2030 年代中期发射后发现数百个此类事件。
我们对黑洞的理解经历了从认为它们纯粹是假设到很快就在各处看到它们的过程。我们现在知道它们在恒星和星系的演化中起着至关重要的作用，但我们仍然有更多的问题而不是答案。它们是如何形成的？超大质量黑洞在宇宙初期是如何如此迅速地变得如此之大的？它们会消亡吗？
黑洞可以隐藏，但老实说，在很多情况下，它们在这方面做得并不好。我们可以发现它们，而且我们做得越多，就能找到更多的答案。