在這個浩瀚無垠的宇宙中，黑洞可以吞噬一切，連光都無法逃脫，從事件視界到奇點，每一個部分都充滿了未解之謎
奇點的深處，在那裏著名科學家愛因斯坦的廣義相對論和其他物理規律全部失效，爲什麼會這樣？
本文就帶你來探討一下這類神祕的天體
前排提示：文章較長，內容豐富
文章結構：黑洞的種類、結構、觀測等
恆星級黑洞
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一、黑洞的種類
根據質量不同，可以將黑洞分爲以下幾類：
- 微型黑洞（Miniature Black Holes）
微型黑洞
遇事不決，量子力學！所以也稱爲量子黑洞，其質量非常小，通常在普朗克質量（約爲10^-5克）左右，這些黑洞被認爲起源於宇宙大爆炸時期，是量子級別的黑洞，小到什麼程度？連行星都無法吞噬，這證明了不是所有的黑洞都能吞噬天體
- 恆星級黑洞（Stellar Black Holes）
恆星級黑洞
恆星級黑洞是由大質量恆星在耗盡燃料後發生超新星爆炸並坍縮形成的
其質量通常在太陽質量的3到100倍之間
衆所周知，銀河系的恆星數量可達1000~4000億顆
因此恆星級黑洞是宇宙中最常見的黑洞類型，廣泛分佈於銀河系和其他星系中
- 中等質量黑洞（Intermediate Mass Black Holes）
中等質量黑洞
中等質量黑洞的質量介於恆星級黑洞和超大質量黑洞之間，通常在100~100,000倍太陽質量之間
即恆星級黑洞＜中等質量黑洞＜超大質量黑洞
儘管科學家們已經發現了幾個中等質量黑洞的候選體，但它們的形成機制仍然不明，這可能涉及恆星級黑洞的合併或通過吞噬周圍物質逐漸增長的過程
這類黑洞對星系的演化有着重要的影響
- 超大質量黑洞（Supermassive Black Holes）
超大質量黑洞
超大質量，顧名思義就是此黑洞的質量可以達到太陽質量的數百萬到數十億倍不等
它們通常位於星系的中心，例如銀心（銀河系中心）的超大質量黑洞（Sgr A*）
這類黑洞對星系的形成和演化起着重要作用，牽引着數億顆恆星的運轉，這些數億顆恆星圍繞星系中心質心做公轉運動，你也可以理解爲“星系的衛星”
除了按質量分類，黑洞還可以根據其物理特性，例如按照質量和角動量進行分類
來源：B站up主-吟遊詩人基德
- 史瓦西黑洞（Schwarzschild Black Holes）：
史瓦西黑洞是最簡單的黑洞類型，不帶電荷且不旋轉，因此也被稱爲“靜態黑洞”或“理想狀態的黑洞”
這種黑洞只由質量決定，其事件視界是一個球面
- R-N黑洞（Reissner-Nordström Black Holes）：
R-N黑洞是帶電荷但不旋轉的黑洞，也稱爲“帶電黑洞”
這種黑洞有兩個視界，一個外視界和一個內視界
如果電荷增加，兩個視界可能會合二爲一，形成“極端R-N黑洞”
- 克爾黑洞（Kerr Black Holes）：
克爾黑洞是不帶電荷但旋轉的黑洞
這種黑洞的事件視界是一個扁球形，其中心不是奇點，而是一個奇環
- 克爾-紐曼黑洞（Kerr-Newman Black Holes）：
克爾-紐曼黑洞是既帶電荷又旋轉的黑洞
這種黑洞同時具有R-N黑洞和克爾黑洞的特徵，其奇點也可能暴露出來形成裸奇點
還有一類黑洞被稱爲類星體
- 類星體（Quasars）：
類星體（如果存在）是宇宙中最明亮的天體之一，其能量來源被認爲與超大質量黑洞有關
類星體的亮度極高，甚至超過了一個星系的總亮度
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二、黑洞的結構
- 事件視界（Event Horizon）
事件視界是黑洞最外層的邊界，也是我們能夠觀測到的最外層結構，它是一個不可逆的位置，一旦物質或光進入事件視界，就無法再逃脫黑洞的引力
事件視界的半徑稱爲史瓦西半徑（Schwarzschild radius）其大小取決於黑洞的質量
質量越大↑ 史瓦西半徑越大↑ 事件視界也越大↑
黑洞結構示意圖
事件視界並非一個實體表面，而是一個數學定義的邊界，在事件視界處，時間和空間的概念發生了根本性的變化
對於外部觀察者來說，接近事件視界的物體似乎會逐漸減速，最終在視界處“凍結”，這是由於強引力場導致的時間膨脹效應，看過《星際穿越》的盒友都知道“天上一天，底下一年”的道理
- 奇點（Singularity）
在黑洞的中心，存在着一個密度無限大、體積無限小的點，稱爲奇點
在奇點處，所有物質被壓縮到極致，物理定律（如廣義相對論和量子力學）在此處失效
奇點的存在對物理學提出了巨大的挑戰
根據廣義相對論，奇點處的時空曲率無窮大∞，這意味着在此處，物理量（如密度、溫度）變得無窮大
量子力學告訴我們，沒有任何物理量可以真正達到無窮大（bro以爲物理學不存在了），這是否暗示着廣義相對論和量子力學之間存在某種尚未被發現的統一理論？咱也不知道，咱也不敢問
遊戲名：戴森球計劃
- 視界外層（Ergosphere）
在事件視界之外，存在一個稱爲視界外層的區域，也稱爲能層（ergosphere）似，這是不是和高中化學選擇性必修二中的電子結構相似？（夢迴高中bushi）
視界外層是一個旋轉的區域，其邊界稱爲靜態極限（static limit）
在視界外層中由於黑洞的旋轉時空被拖拽，導致任何進入該區域的物體都必須與黑洞一起旋轉
視界外層的一個重要特性是，它允許從黑洞中提取能量，這一過程稱爲彭羅斯過程（Penrose process），通過將物體送入視界外層並利用其旋轉能量，可以從黑洞中提取能量
這可是研究黑洞能量提取和天體物理過程的重要區域
- 吸積盤（Accretion Disk）
當物質被黑洞引力捕獲並圍繞黑洞旋轉時，會形成一個稱爲吸積盤的扁平結構，吸積盤是黑洞周圍最活躍的區域之一，其中的物質在旋轉過程中逐漸向內螺旋，最終被黑洞吞噬
吸積盤中的物質在向內運動的過程中，由於摩擦和粘性作用，會釋放出大量的能量
這些能量以電磁輻射的形式釋放出來，包括但不限於X射線、紫外線和可見光
吸積盤也是黑洞觀測的重要目標，通過對吸積盤輻射的觀測，可以間接地研究黑洞的性質
我在黑洞很想你（網紅打卡點bushi）
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三、黑洞的研究時間線
2015年9月14日：人類首次探測到引力波信號，源自一次雙黑洞併合事件
2019年4月10日：事件視界望遠鏡（EHT）項目首次成功拍攝到位於M87星系中心的超大質量黑洞的影像，這是人類首次直接觀測到黑洞
2019年5月21日：極光干涉引力波天文臺（LIGO）探測到一個雙黑洞併合事件，兩個黑洞的質量分別爲85倍和66倍太陽質量，最終形成了一個約爲142倍太陽質量的新黑洞
同年首次發現中等質量黑洞：科學家們首次發現了一顆中等質量黑洞
2020年基礎物理科學突破獎：EHT團隊因首次拍攝到黑洞影像而獲得基礎物理科學突破獎
2023年M87黑洞影像重建：研究團隊利用主成分干涉建模算法（PRIMO）發佈了重建後的M87黑洞照片，吸積盤變得更加纖細，照片分辨率有了顯著的提升
綠豌豆星系中的黑洞：中國科學院上海天文臺的研究團隊對綠豌豆星系中的活動星系核進行了系統性搜尋研究，發現了59個含超大質量黑洞或中等質量黑洞的候選源
2024年早期宇宙中的巨型黑洞：英國劍橋大學科學家領導的研究團隊利用詹姆斯·韋布空間望遠鏡，在大爆炸發生僅8億年後的早期宇宙中探測到一個質量高達太陽4億倍的巨型黑洞
“無毛”猜想與“帶毛”黑洞：中國科學院的研究團隊在《物理評論快報》上發表論文，這揭示了一種全新的黑洞“長毛”機制，並發現了帶毛過程中的臨界現象
2025年納赫茲引力波探測：中國脈衝星測時陣列研究團隊利用“中國天眼”FAST對57顆毫秒脈衝星持續三年多的監測數據，成功找尋到了納赫茲引力波存在的關鍵證據
2025年黑洞“全景”照：中國科學院上海天文臺的研究人員發佈了基於M87黑洞照片的全景照，展示了M87黑洞的陰影、吸積盤和相對論性噴流
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