当东线战场的屠杀在他周围肆虐时，一位在第一次世界大战中的德国中尉消化了阿尔伯特·爱因斯坦的新理论。在爱因斯坦发表广义相对论不到两个月后，卡尔·史瓦西，一位尽管年龄超过40岁且是物理学家仍应征入伍的人，找到了一种方法利用它来描述球形、非旋转质量（如静止的恒星或行星）的时空。隐藏在史瓦西的工作中的一个暗示指向了时空的终极扭曲者：黑洞。几个月后，即1916年5月，他去世了，年仅42岁。但史瓦西开始的探索已经持续了一个世纪，最终促成了2020年诺贝尔物理学奖。
该奖项授予数学物理学家罗杰·彭罗斯，以表彰他“发现黑洞的形成是广义相对论的可靠预测”，以及天体物理学家安德烈娅·盖兹和莱因哈德·根泽尔，“因为他们发现了银河系中心的超大质量致密天体”。这是首次专门为黑洞颁发的诺贝尔奖——承认了它们毋庸置疑的存在（尽管在后半部分奖项的措辞中有所保留）。“如今，我们认为这些事情是理所当然的，”密西西比大学的物理学家莱奥·斯坦说道。“我们已经走了这么远，至少在我们的天体物理学界内部，我们认为，‘当然有黑洞。’”
但情况并非总是如此。几十年来，黑洞的概念只不过是一种数学上的异常。在1916年之后的几年里，史瓦西的解引起了数学家和物理学家的兴趣和一些惊愕。他的工作预测了一个“史瓦西半径”——一个半径，表示一个物体需要有多致密才能阻止光逃脱其引力。例如，太阳的实际半径接近70万公里，但其史瓦西半径仅为三公里。
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时空弯曲的程度相对于物体的史瓦西半径除以其实际半径。这两个值越接近，时空弯曲得越厉害。那么，当物体的半径等于其史瓦西半径时会发生什么？如果物体的半径为零又会发生什么？这些问题的答案被称为奇点——相当于计算器上除以零的未定义解。在奇点处，时空似乎弯曲到了崩溃点。
在接下来的几十年里，物理学家取得了一些进展，但这项研究主要是一种数学上的消遣，与现实世界没有任何联系。史瓦西的工作提出的奇异的——当时完全是理论上的——物体可能像太阳一样重，但比中央公园还小，或者更奇怪的是，在一个半径为零的范围内包含一颗恒星的质量。“人们认为，‘好吧，这只是异想天开。我们完全超出了我们的物理理论应该适用的范围，’”普林斯顿大学的物理学家弗朗斯·普雷托里乌斯说道。
可怕的数学
在20世纪60年代，史瓦西的解开始显得更加相关。天文学家开始观察到极端现象，例如遥远的星系喷射出能量和数量对于一颗普通恒星来说是不可能的粒子（被称为“类星体”——“准恒星物体”的缩写——这些高能爆发最终被追溯到吞噬盛宴的超大质量黑洞）。与此同时，理论家开始模拟超致密宇宙天体的动力学，寻找避免与奇点相关的陷阱的巧妙方法。彭罗斯，当时是一位对天体物理学有着浓厚兴趣的年轻数学家，正处于帮助被数学难题困扰的科学家的最佳位置。
“（物理学家）会争论。他们会得到彼此不一致的答案，”阿肯色大学的天体物理学家和科学史学家丹尼尔·肯尼菲克说道。“事实证明，原因是他们并没有真正理解无穷大的结构，而彭罗斯解决了这个问题。”
为了处理广义相对论在时空极度弯曲时的复杂性，例如与史瓦西半径大小相同的物体，彭罗斯提出了一套数学工具。特别是，他引入了“陷获面”的数学概念，使物理学家能够自信地确定事件视界——即使光也永远无法逃脱引力无情拉扯的点。（非旋转黑洞的事件视界位于其史瓦西半径处。）事件视界通过在奇点周围设置一道无法逾越的屏障，帮助处理了奇点的棘手性。“我们真的不喜欢有奇点，”斯坦说道。“事实上，我们可以切掉黑洞时空的内部，并用……粉红色的大象或其他东西代替它。从外部来看，你永远无法分辨出区别，因为它都被隐藏在视界之后。”彭罗斯的“宇宙审查”思想是，不可能存在“裸露的”奇点：所有奇点都必须被事件视界“包裹”。即使黑洞碰撞并融合，奇点——或粉红色的大象——仍将被其事件视界隐藏，防止它们的存在将外部宇宙推向混乱。
对几何学和M. C. 埃舍尔等艺术家的迷恋也促使彭罗斯开发出强大、直观的图表，捕捉到以前无法企及的时空动力学。他的图表压缩了空间和时间，将无穷大放置在页面上，而不是让它们延伸到远处。“一旦它出现在页面上，你就可以研究它，”肯尼菲克说道。“彭罗斯是一位卓越的工具制造者。他发明了许多在那个时期用于理解黑洞以及我们今天仍在使用的工具。”到20世纪60年代末，“黑洞”一词已成为描述这些假设的——但现在不太可能的——广义相对论结果的公认术语。
天体物理学惊悚片
很难准确指出何时大多数物理学家成为信徒，但到20世纪90年代中期，即使没有对黑洞的直接观测，黑洞也已被认为是理所当然的。一些最具体的证据将来自盖兹和根泽尔对人马座A*的独立研究，当时怀疑人马座A*是银河系中心的超大质量黑洞。“通常当我们解释天文观测时，对于其他一些可能性存在一些回旋余地，”马里兰大学帕克分校的天文学家苏维·格扎里说道。“我们银河系中心的美妙之处在于，测量结果不允许存在四百万太阳质量黑洞以外的任何其他可能性。”
为了达到如此高的精度，盖兹和根泽尔各自独立领导团队，花费了十多年的时间跟踪S02的路径，这是一颗围绕人马座A*运行的短椭圆轨道恒星。在S02绕银河系中心运行的16年里，研究人员通过一种称为自适应光学的技术，极大地改进了他们望远镜的测量结果，该技术使用激光来校正光线穿过地球大气层时引起的模糊。
当S02完成围绕一片黑暗虚空的完整轨道时，黑洞的存在再清楚不过了。从那时起，天文学家已经对黑洞进行了其他直接观测。
2012年，格扎里领导一个团队，以前所未有的细节观察到了一次潮汐瓦解事件——一个对于黑洞撕裂靠得太近的恒星内脏的委婉名称。由于恒星的其余部分被抛开，另一星系中的恒星凶杀案看起来有点像更亮、更长的超新星。“我曾经称之为受害者的‘指纹’——在这种情况下，受害者是恒星，”格扎里说道。
更多事件，例如两个黑洞的合并以及激光干涉引力波天文台（LIGO）和Virgo实验捕获的随之而来的引力波，进一步证明了这些物体的存在。但迄今为止最令人震惊的证据可能是事件视界望远镜（EHT）拍摄的位于梅西耶87星系中心的超大质量黑洞的图像，该黑洞拥有数十亿个太阳质量。现在标志性的图像，一个被我们太阳系大小的吸积盘发出的强烈光芒环绕的黑色圆圈，消除了任何疑虑。
这些对黑洞及其阴影的观测不仅仅是对爱因斯坦理论的证实。随着EHT分辨率的提高，它将测试最初预测其存在的理论。“黑洞阴影是一个很好的测试，因为替代理论预测的东西与广义相对论预测的不同，”亚利桑那大学和EHT的天体物理学家费里亚尔·厄泽尔说道。
2020年，通过仔细审查EHT看到的阴影形状，厄泽尔和她的同事对广义相对论进行了一些最精确的测量。到目前为止，这些测量结果与预测相符，但有可能随着精度的提高，偏离广义相对论的偏差将显现出来，从而暗示更深层次的潜在理论。
对于天文学家、天体物理学家和数学家来说，黑洞轮流是可怕而美丽的；它们在物理学上非同寻常，但在普遍性上却很普通。它们继续吸引着希望解开宇宙新秘密的研究人员。对于观看的公众来说，也存在一些吸引力。进化生物学家“斯蒂芬·杰伊·古尔德曾著名地问道，‘为什么恐龙变得如此受欢迎？’并认为它们应该如此受欢迎并非显而易见，”肯尼菲克说道。他认为，黑洞与恐龙有一些相同的特征：它们看起来很大，它们吃东西，而且它们有点可怕——但令人欣慰的是它们离我们很遥远。