黑洞是根据天体物理和宇宙学理论，借助爱因斯坦的相对论而预言的存在于宇宙中的一种天体。关于黑洞的描述、模型的确立和在宇宙中寻找黑洞，目前来说都还是比较错综复杂的。简单来说，黑洞就是一个质量相当大、密度相当高的天体，它是在恒星的核能耗完之后发生引力坍缩而形成的结果。由于光线无法逃逸，这个逃逸其实是加引号的，所以黑洞不会发光，不能用光学天文望远镜就看到它。但是天文学家可以通过观察黑洞周围的物质被吸引的情况，找到黑洞的位置，发现并且研究它。
对于我们目前研究的黑洞，基本上是根据它的质量大小而分类的，分辨标准是黑洞能有多少个太阳的质量。一般来说三到二十个太阳质量这样的黑洞，我们把它叫恒星级黑洞，六到八十个太阳质量是活跃度非常强的黑洞，而质量达到百万甚至上百亿个太阳质量的就是超大质量黑洞，也称为星系级黑洞，质量在一百到一千个太阳质量的黑洞称为中等质量黑洞。目前这样的黑洞发现的数量非常少，所以也被称为黑洞沙漠。
咱们先来聊聊恒星级黑洞，就是三到二十个太阳质量的黑洞。x射线双星是由一颗辐射x射线的致密天体和一颗普通的恒星组成的双星系统。其中致密天体可能是黑洞、中子星或者是白矮星，当这个致密天体为黑洞的时候，我们就称之为黑洞x射线双星。那么我们怎么才能知道其中的致命天体是黑洞呢？在x射线双星里，中心致密天体通过星风袭击伴星的物质，也就是说把这个伴星给它吸进去。这个过程会形成围绕着黑洞旋转的吸积盘，对于恒星级质量的黑洞或者中子星来说，吸积盘内区域温度会非常的高，辐射主要在x射线波段，所以我们更容易从这个波段发现他们。对于有两个天体组成的绕转系统来说，如果轨道角度合适，我们就有可能看到食现象。比如说在我们太阳系看到的就叫日食了，这样我们就可以观测到周期性的变化，作为伴星的恒星谱线会呈现出正弦多普拉未移效应，这种效应也可以得到绕转周期。通过这样的效应，我们就可以很好地确定它伴星的质量。
在二十世纪六十年代，通过x射线观测，我们发现天鹅座x1是一个非常强烈的x射线源，它的伴星是一颗超巨星，质量大约为二十个太阳质量，它的轨道周期大概是五点六天，通过谱线的多普勒效应测到的速度大概是七十公里每秒。计算发现这个x射线源的最小质量也应该是五到十个太阳质量，这个就远远超过了白矮星或者中子星的质量上限，所以他很可能就是黑洞。当时这个圆被认为是第一个黑洞的候选体，随后在一九七二年被证实，到目前为止，在我们的银河系里就已经发现几十颗这样的黑洞。x射线双星候选体大小大概就是五到二十个太阳质量，当然还有更多的黑洞还在黑暗中沉睡。
我们再来说一个现象，叫黑洞舞者，是由六到八十个太阳质量组成的双黑洞。二零一六年二月十一号，美国激光干涉引力波天文台，也就是著名的LIGO宣布人类首次发现了引力波，证实了爱因斯坦百年前的预言。二零一九年四月一日，LIGO升级之后恢复开机，启动第三轮引力波探测。这次升级之后，LIGO的灵敏度比以前提高了百分之四十，今后也将会探测到更多的黑洞合并事件，有可能从之前的探测到一次每月增加到每月数十次，从而使引力波事件成为常态，特别是有可能探测到以前没有看到的黑洞和中子星合并所发出的引力波。在前两轮的探测里，双黑洞质量范围大概是六到四十个太阳质量，合并之后形成的黑洞质量在十到八十个太阳质量，这个大大突破了以前通过x射线双星确定的黑洞质量。
然后我们说说巨型黑洞，就是几百到百亿个太阳质量的星系级黑洞类星体，是二十世纪六十年代四大天文发现之一，另外三个发现分别是脉冲星、微波背景辐射和星际有机分子。类星体是一种星系，但是看上去非常的致密，像恒星，因此得名类星体。这类天体红移很高，目前最高大概是七，也就是说它远离我们的速度达到了零点七倍的光速，距离地球可以达到一百亿光年以上，这么小的体积能够持续发出那么强烈的辐射，这种辐射不可能来自于普通星系那样的恒星发光，因此天文学家一直对这类天体的能源机制感到困惑。
后来人们慢慢开始意识到，这种星系中心可能存在一个巨型黑洞，有一个高速旋转的吸积盘围绕着这个巨型黑洞，吸积盘可以把一部分物质的引力变为热能，并且辐射出去。除了类星体以外，人们想到可能所有的星系重心都存在着一个巨型黑洞，从星系演化的角度来说，可能其中心的巨型黑洞不仅仅是被星系造就，它的存在也严重影响了整个星系，乃至宇宙的演化。我们银河系中心就存在一个巨型的黑洞，欧洲天文学家贾森等人利用该黑洞周围数十颗恒星动力学的测量，测得这个黑洞的质量大概是四百万个太阳质量。这个恒星动力学，是说黑洞周边没有掉进黑洞的恒星会得到黑洞的加速，用这个现象我们可以判定黑洞的存在。
最后我们来说一下中等质量的黑洞，也就是前面说的黑洞沙漠。相比于较为公认的超大质量黑洞和恒星级黑洞，中等质量黑洞存在的证据可以说是初露端倪，大家的认可度还不是特别高。初步的候选有两种，第一种是矮星系中心的黑洞，由于我们发现黑洞的质量和这个星系的总质量存在比较好的相关性。因此中小星系里可能会发现中等质量的黑洞，这类矮星系可能没有经历主要的合并过程，因此也没有长大。第二类的候选者就是极量或者超量x射线源。这类源一般位于星系的非中心位置，但是光度可以达到十的三十九次方尔格/秒，甚至到十的四十二次方二个尔格/秒以上，也就是说它们辐射出来的光度远超过恒星级黑洞的光度。
有一个星系叫ESO-49，边缘的HLX-1是一个特殊的极量x射线源，大概每四百天爆发一次，最高光度可以超过十的四十二次方格尔/秒，从它的x射线部分、黑体谱还有它的基盘不稳定性等等方式我们都能算出来，它的质量大概是十的四次方到十的五次方个太阳质量。所以这个圆是中等质量黑洞最好的候选体之一，球状星团也是中等质量黑洞存在的热门候选天体，当下已经利用多种方法寻找搜索，但是结果都不确定。相对比而言，中等质量黑洞这一领域似乎还是一个沙漠地带，对理解黑洞形成和演化来说，寻找中等质量黑洞将起到至关的作用，或许不久的将来，随着更高灵敏度、更大视场的望远镜或者空间引力波计划建成，中等质量黑洞的沙漠能变成绿洲。
前面我们说了几个和黑洞相关的名词，他们都和黑洞的表现有关系，我们下面就来聊一聊黑洞有什么表现。首先是喷流和吸积盘。黑洞的贪婪我们都知道啊，但是有一小部分黑洞还是没有那么贪婪，他会把其中一部分物质以极高的速度抛向宇宙空间，这就是所谓的喷流。喷流已经在很多不同尺度的天体中都发现了，比如说黑洞、x射线、双星、超大质量黑洞天体、大质量恒星坍缩或者双子星合并导致的伽马射线暴等等。目前关于喷流的产生机制依旧是一个谜，特别是黑洞附近的等离子体如何被加速到接近光速远离黑洞的？
由于星系等离子体都带有一定的磁场，当这些等离子体被黑洞俘获之后会向黑洞靠近，等离子体中的磁场也会随着等离子体一边旋转一边向黑洞靠近，形成螺旋形的结构，一些还没有掉进黑洞的等离子体就有可能顺着磁力线改变方向，被黑洞加速喷出来，从而远离黑洞。在一定的距离以后，速度可以达到零点九甚至零点九九九倍光速以上，这就形成了我们看到的相对论性喷流现象。如果这种喷射正好指向我们地球的方向，我们看上去就类似于类星体，也就是说在很小的范围内产生极大的能量。
相对论效应导致喷流的辐射会被放大好几百，甚至是好几万倍，以至于我们看到的辐射可能完全由这种喷射流辐射主导，黑洞、吸积盘或者星系的辐射就完全看不到了。喷流对理解很多高能天体物理现象有着至关重要的作用，但是总体而言，我们对喷流如何形成、能量从哪里来、如何加速、能量如何耗散等关键物理过程都知道的非常少。从力学角度来说，黑洞的定义可以是一个时空区域，其中引力场十分强大，以至于任何物质都不能逃离出去，它具有非常高的物质密度，体积是由史瓦西半径来确定的。
由于黑洞的中心是一个起点，它的密度远远比宇宙中其他物质的密度大得多，几乎无法用数字去描述。黑洞也能产生潮汐，引力大小决定于物质的密度，密度越低，黑洞外部时空弯曲越小，而在黑洞的世界面上引力为零。用经典观点来解释呢就是在世界上，黑洞的离心力与引力抵消了。坍缩成黑洞之前的恒星一般都具有磁场，形成黑洞之后，他们还是会从星际介质中吞噬带电的粒子，比如说。电子或者质子，所以黑洞是具有电磁性质的，但是黑洞带电的总量是受到限制的，超过一定的限度，黑洞的世界就会被向外排斥的强大的电子斥力摧毁，带电的限度和它的质量是成正比的。由于引力的存在，时空就不是我们多少年来理解的那个概念了，时空变得弯曲了，时间也不再是绝对的，而是变得有弹性了，甚至在一定的情况下会发生冻结，特别是在高密度的中心区域，空间弯曲得更明显。
科学家们发现，一个遥远的星体发出光线，在通过很长的距离传到我们地球的时候，我们会同时看到好几个图像，这个就是因为光线在传播的过程中，受到沿途的其他星体质量、引力的作用，使光线产生了偏折的原因。许多黑洞就是靠这种光线弯曲的测量而被探测到的。按照黑洞的研究理论，黑洞是一个单向门，无论什么样的物质只能进而不能出去，坍缩的最后结果造成黑洞内部的物质成分都是一样，原子里面的电子被质子俘获，变成了相同的中子。所有进入世界的物质只能改变黑洞的质量，最终黑洞只需要质量、角动量、电荷这三个参量完全确定它的施工结构，这个结论就是由惠勒提出，年霍金等人证明的“黑洞无毛定理”。
也就是说除了质量、角动量、还有电量这三根毛之外，静态黑洞的其他毛全都消失了，感觉应该叫三毛定理。意义就是告诉人们，黑洞与引力坍缩之前的物质种类没有关系，也跟物体的形状没有关系。引力坍缩丢失了几乎全部的信息，任何有关黑洞形成之前的大量复杂的信息都不可能在黑洞形成之后知道，人们能够得到的只是黑洞最终的质量、旋转速度，还有他带多少的电。
这里面说到的霍金可以说是大名鼎鼎了，他还做出了另外一项重要的贡献。我们都知道，真空是量子场系统的能量最低状态，由于真空有涨落的效应，真空里会不断有各种各样虚的正、负离子对产生，但是不允许有实的负能量存在，正负离子盾产生之后很快会消失，都不能被直接观测到。但是由于黑洞的单项膜不同于一般时空，在那里允许存在极短的负能态，然而在世界外部紧靠世界的这个地方，如果产生了这样的涨落，就有可能通过量子力学里的隧穿效应，穿过边界进入到黑洞内部。同时正粒子会跑到无穷远的地方，而负离子就进入黑洞了，于是就会有粒子从黑洞逃逸出来，这个就是著名的霍金辐射。
黑洞的霍金辐射说明它的能量随着波长分布，等同于年普朗克的黑体辐射公式，所以黑洞是具有一定温度的天体。有研究表明，当黑洞温度比周围温度低的时候，黑洞向外辐射小于从外界吸收的质量，黑洞的质量就会增加。反过来，当黑洞的温度比周围温度高的时候，黑洞就会逐渐蒸发，以至于最后消失，所以黑洞的寿命和恒星正相反，它的质量越大寿命越长。
聊到这儿呢，整理的关于黑洞的内容基本上就聊完了，但是我们再稍微加一点餐，咱们聊一个稍微有意思一点的话题。如果黑洞穿过地球会发生什么事儿？在宇宙里，有无数的黑洞隐藏在不同的区域里，根据推测，仅仅是我们的银河系就至少有几百万个黑洞。那这么多的黑洞会不会哪天其中一个就窜到太阳系附近呢？如果他们真的能够窜到太阳系的周边，能够预见，这件事对我们来说绝对是毁灭性的灾难。好在宇宙的空间是如此之大，即使是上百万个黑洞也分布得非常稀疏，我们不太可能遭遇黑洞。那么咱们就讲，假如这黑洞真的靠近地球，我们会看到什么现象呢？
首先我们的大气会首当其冲受到灭顶之灾，由于黑洞的引力太过强大，地球的大气将会被直接剥夺走，地球表面会形成一个超级龙卷风，携带着巨大的能量全部涌入黑洞之中，当然我们也会被风裹挟着飞进黑洞。假设有一个超能力的人，不但不会被黑洞吸走，而且不需要呼吸，在没有空气的地球上还能生存。那么他接下来会看到什么呢？当黑洞的引力越来越强，连地表也无法承受黑洞的引力，地面就会开始撕裂，岩浆开始迸发，当所有的物体都被吸进去之后，这位超人也在劫难逃，被吸进黑洞。
我们知道一个物体受到另一个物体的引力的大小和距离有关，由于黑洞的引力太过巨大，即使一米多长的人，头和脚受到的引力也会有巨大的差别，在这样的条件下，这个人会被拉得特别长，而且离得越近、拉得越长，人会变得比一根面条还要细。在他进入黑洞的世界范围以内之前，他看到的将是一片漆黑，当它穿过世界范围的边界那一瞬间，它的本质也会发生变化。最终在黑洞的起点内，这个人被彻底的分解、完全消失，转化为能量储存在起点里，等待着黑洞霍金辐射回到宇宙空间，或者等到起点大爆炸的时候成为新天体的养料。
那么如果黑洞靠近地球，人类该怎么办呢？这个要取决于黑洞的质量和速度，第一种做法就是什么也不做。如果黑洞不是太大，我们的宇宙中有很多这样的微型黑洞，比如说它的质量小于地球的百分之一，那么人类还有很好的生存机会。假设它以两百公里每秒的速度行驶，质量为地球的百分之一，并且与地球直接相撞。当这个黑洞接近地球的时候，你会感到重力的方向有微小的变化，取决于黑洞达到地球时你在地球上的位置，除非非常靠近的地方，否则你不需要将任何东西拴到地面上。但是你肯定不想离他太近，在六百千米左右的范围里都会感到来自黑洞大概一个g大小的拉力，在三百公里以内拉力将达到四个g，但是持续的时间只有两到四秒，所有的东西都必须用螺栓固定住，距离一百五十公里处的将遭到大规模的破坏，在五十公里范围内会遭到彻底的破坏。但是如果黑洞更大，并且行进速度更慢，那么破坏就会成倍的增加，当一个有地球质量百分之十的黑洞以五十公里每秒的速度行进的时候，将彻底毁灭一切。
我们可能做的第二件事，是推动地球偏离现在的轨道，只需要把地球的轨道推出几十公里，这个取决于黑洞的质量，推动地球需要建立大量的氢、铀和火箭、巨大的离子推进器，不过这个也需要大量的时间才能完成。如果黑洞非常大，有一个太阳质量那么大或者是更大，那么我们就需要离他一亿公里以上，否则它也会严重破坏地球的轨道，让气候遭到破坏。
最后我们能做的事可能就是星际移民了，未来我们可能会使用一种方式，当地球不能够支持人类的生存或者地球遭到威胁的时候，我们可以移民到火星或者其他外星球。那关于星际移民以及外星球的事，以后我找到相关的资料再整理起来给大家看。
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