黑洞对于很多人来说，它们都是宇宙中最迷人的物体之一，千万不要被这个名字所欺骗，它自然不会是一个空洞。相反，黑洞是一个强大的引力场，看似没有任何东西，但该区域里却有大量物质，只要距离达到足够的范围，如此密集而庞大的它，会让光线也无法逃脱。大多数黑洞都是由超新星爆炸中死亡的大型恒星的残余物所形成的，简而言之，大型恒星的结束往往意味着黑洞的开端；而恒星之间的碰撞也可能会导致更大黑洞的产生，当黑洞和中子星碰撞时会产生强大的爆炸，从而产生另一个黑洞。那么，黑洞到底是什么，是否也有自己的分类标签？
黑洞的标准定义和分类方式
长久以来，黑洞激发了人们的想象力和挑战力。科学家们将理论和观察结合，现在终于对这些物体及其形成方式有了更多了解，甚至包括它们如何影响周围环境。黑洞就像一个非常密集的物质袋，拥有令人难以置信的庞大质量和微小的体积，并使得时空结构大大扭曲。从流浪的恒星到光线的光子，任何过于接近的东西都会被它捕获。这其中的大多数黑洞，都是大质量恒星的凝聚残余物，其坍塌的核心存在于爆炸性超新星之后。然而，黑洞家族也有几个分支，从与人类细胞相同的微小结构到成长为强大的巨人，可以比太阳大数十亿倍。根据黑洞的形成时间和形成原因，它被分为了原始黑洞、中质黑洞、恒星质量黑洞，以及超大质量黑洞。
在现代天体物理学中有一个重要领域，那就是确定超大质量黑洞形成原因和质量来源。原始黑洞由早期宇宙原始物质凝结而成，诞生于大爆炸后不久。虽然可能存在质量较大的原始黑洞，但它们中的大多数都非常微小；而质量范围在恒星和超大质量黑洞之间的黑洞，则被称为中质黑洞，顾名思义是一种是中等质量的黑洞，相当于数百至数十万个太阳的质量，到目前为止尚未发现它们的踪迹；恒星质量黑洞是最常见的黑洞，它是超新星的结果，意味着巨星的灾难性死亡。其中大多恒星质量黑洞的质量能达到太阳的5到10倍，其中会有个别黑洞质量能够高达太阳的100倍左右；而超大质量黑洞则往往位于星系的中心，并且具有数百万、乃至数十亿太阳质量的质量。
具有三个“层”的黑洞是什么样的
黑洞从里到外分别是奇点、内部事件视界和外部。奇点指的是物体质量所在黑洞的内部区域，它是集中黑洞质量时空中的单点；而事件视界则位于黑洞口周围的边界，只要有粒子穿过这个区域便无法离开，并且该范围内的重力是处于恒定状态的。虽然科学家们无法直接看到黑洞，但却可以看到宇宙中的其他恒星等物体：当灰层和气体被吸入到致密的生物体，便会散发出强大的辐射。即使当物质被拉向黑洞的时候是从事件视界中跳出来并被向外推，科学家们依然可以根据其产生的明亮的材料射流，远距离观看这些强大的喷气机。
随着时间的推移和探索技术的发展，科学家们终于对银河系中心的黑洞射手座A *进行了观察，在它周围有一股凉爽的气体光环。由于它比预期的更加安静，研究人员才得以前所未有地对黑洞周围的环境进行了观察，而该探索过程中所使用的事件地平线望远镜，是一个由八个地面射电望远镜组成的行星规模阵列，通过国际合作拍摄了M87星系中心的超大质量黑洞及其阴影。尽管科学家们逐渐理解了黑洞基本的形成过程，但关于黑洞仍有一个困扰已久的谜团，它们似乎存在于两个完全不同的尺度上。
在宇宙中，这些“恒星质量”级别的黑洞，一般是太阳质量的10到24倍左右。当另一颗恒星靠近它时，周围的物质都会被黑洞的引力所吸引，并在这个过程中产生X射线。并且，科学家估计，仅银河系就有多达一千万到十亿个这样的黑洞，但它们孤立的存在却导致了无法探测到。而被称为“超大质量”黑洞的巨人，几乎都位于所有大型星系的中心，包括我们自己的银河系。附近恒星和天然气体的变化，都可供天文学家观察这些黑洞。而形成这些超大质量黑洞的一种可能机制，便是紧凑星团中恒星碰撞的链式反应，该过程可以导致极大质量恒星的积累，而后坍缩形成中质黑洞，当星团下沉到星系的中心，中间质量黑洞发生合并后形成超大质量黑洞。
黑洞活动的关键可能是磁场
在科学家们对天鹅座A核心的定义中，包括尘土飞扬的圆环状环境被称为圆环，以及从中心发射的喷气式飞机，磁场捕获环面中的灰尘。通过将灰尘限制在环面，并和黑洞保持足够接近的距离以便被吞噬，这些磁场可以帮助隐藏银河系核心中的黑洞。天鹅座A两个相互叠加的图像，显示了星系喷射的无线电辐射。在像我们银河系一样的静止星系中，是没有这样的喷流的，这大概与磁场有关。简而言之，通过SOFIA的探测数据可以表明，在活动星系 Cygnus A 的中心附近，磁场在捕获并限制灰尘的同时，还会将物质输送到其中心的超大质量黑洞中。
虽然众所周知，即使是天文科学家也难以直接观察到天体磁场，但却可以通过偏振光来研究星系中的磁场。虽然光学波长太短，无线电波太长，无法直接观察环面。但SOFIA观测到的红外波长却恰到好处，可以让科学家们直接瞄准、并隔离尘埃环。SOFIA的高分辨率机载宽带相机（HAWC +），对定向尘埃颗粒的红外发射具有极高的敏感性。科学家们也通过事实证明，它地壳观察到了尘埃环状物在主动星系现象中的作用，这是研究磁场和测试统一模型基本预测的有力技术。随后，研究人员又将这些结果与之前的档案数据相结合，意外发现这个强大的活跃星系，及其标志性的大型喷气式飞机，使用强磁场的超大质量黑洞，能够限制朦胧的环状天线。
黑洞如何撕裂遥远星系中的恒星
黑洞有两个最基本属性，关于它的质量和旋转。相对而言，天文学家更容易确定黑洞的质量，但要准确知道它的旋转却是极其困难的。科学家需要观察其X射线亮度的速度和规律变化，以确定了恒星质量黑洞的旋转速率。2014年11月，首次发现ASASSN-14li为光学爆发，并使多个望远镜研究了黑洞如何撕裂遥远星系中的恒星。传统上难以测量的属性，便是恒星碎片向黑洞旋转时发出的X射线，而后，科学家们更是利用这次“潮汐破坏”事件，测量了黑洞的旋转。在下图中，显示的是一颗超大质量黑洞的周围区域，一颗恒星由于离得太近，而被黑洞极端的引力所破坏。
被拉成的X射线的明亮圆盘，是这颗恒星的一些残骸，在这个边界之外，包括光在内的任何东西都无法逃脱。它们会在那里绕过黑洞，然后经过“ 事件地平线 ”，细长的光斑描绘了光盘中的明亮区域，这导致了光源的X射线亮度规则性地变化。ASASSN-14li的潮汐破坏很有趣，允许科学家们估计黑洞的旋转速率，而该黑洞周围的事件视界，大约达到了地球直径的300倍，其每两分钟旋转一次的运动，则意味着黑洞旋转的速度至少是光速的一半。这些结果意义，就在于更加激励科学家们愿意花更多的时间，以观察未来的潮汐破坏事件，从而寻找类似其X射线亮度的规律性变化。
热门跟贴