刘继峰 王 松
人类首次拍到的黑洞照片。
恒星级黑洞示意图。
中等质量黑洞与超高速星示意图。
超大质量双黑洞示意图。以上图片均为中国科学院国家天文台提供
黑洞，又一次成为热议话题。2024年度“中国科学十大进展”发布，“发现超大质量黑洞影响宿主星系形成演化的重要证据”入选。
“高冷”的黑洞，总不缺乏热切的关注目光。黑洞的背后有什么？自身不发光的黑洞，如何被“看见”和“听见”？黑洞会引发“时空涟漪”吗？对黑洞的好奇和认知，牵引着人类对宇宙“进化”的无限好奇。当我们凝视黑洞，看到的不仅是宇宙奇观，更是人类求索的勇气与不断刷新的科技标尺。
——编 者
人类为什么要研究黑洞？
宇宙中，有一类天体是通过“吃”来长大的。它就是黑洞。
长久以来，黑洞一直是科学领域的热点之一。霍金曾多次就黑洞研究与人打赌，全输了，成为科学史上的趣谈。2019年，事件视界望远镜🔭发布首次给星系M87中心黑洞拍的照片，外形酷似甜甜圈的黑洞引发公众热议；2016年、2025年，黑洞研究两获诺贝尔物理学奖。
黑洞是如何“诞生”的？又是如何“长大”的？它如何与周围的宇宙环境相互作用？
这一系列问题，我们统称为黑洞的形成和演化——这是天文学的重大课题。按照体重，天文学家把黑洞分成三种类型：几倍到几十倍太阳质量的恒星级黑洞、星系中心几百万倍太阳质量以上的超大质量黑洞，以及介于二者之间的中等质量黑洞。接下来，让我们一起走进黑洞“成长记”。
从“恒星葬礼”，到宇宙“巨无霸”，黑洞几乎与宇宙中所有的剧烈爆发事件相关，却又因其神秘性让人难以理解。从爱因斯坦的纸笔推演开始，黑洞研究就像一场跨越百年的宇宙解谜游戏。
在解谜的过程中，技术的发展是人类最大的助力。引力波探测器让我们“听声辨位”，捕捉黑洞并合的“时空涟漪”；事件视界望远镜🔭则像一台“宇宙相机📷️”，成功拍下了黑洞的“剪影”。
人类为什么要研究黑洞？黑洞研究与我们的生活密切相关：WiFi技术的诞生，最初是为了传输黑洞数据；引力波探测中的激光干涉技术，如今应用于地震预警、精密制造和医学成像……
黑洞不仅是宇宙的谜题，更是人类探索未知的象征。尽管前路漫漫，但幸运的是，我们已经“看见”“听见”了黑洞，在揭开宇宙隐藏奥秘的路上，不断前行。
银河系内究竟有多少恒星级黑洞？
想象一下：一颗比太阳重20多倍的恒星，在生命末期像一颗膨胀到极限的气球，“砰”的一声炸掉“外衣”，如烟花一样照亮宇宙，这就是超新星爆炸。而恒星的核心——如果高于3倍太阳质量，便会在引力作用下，迅速坍缩成一个连光都无法逃脱的“囚笼”，恒星级黑洞由此诞生。
第一颗被发现的恒星级黑洞是位于天鹅座的Cygnus X—1。按照恒星演化理论，银河系中有数千万例黑洞，并且质量越小，数目越多。但目前为止，银河系内仅确认了不到50例黑洞，其中3—5倍太阳质量的小质量黑洞是缺失的(称为“黑洞质量间隙”)。这意味着，目前的黑洞样本可能有很大偏差，我们需要搜寻黑洞并建立大样本，研究它的质量分布。
黑洞非常小，自身不发光，如何找到它们？
天文学家发展出了很多方法，包括X射线🩻方法(探测黑洞吸积伴星物质发出的X射线🩻)、引力波方法(探测两颗黑洞互相绕转发出的引力波)、视向速度方法(探测伴星绕黑洞转动造成的多普勒运动)、天体测量方法(探测伴星绕黑洞转动造成在天球位置上的周期性变化)、引力透镜法(探测黑洞经过背景恒星前面造成恒星光度的变化)等。
这些年，黑洞的搜寻与测量方面有了不少进展。2024年，盖亚望远镜🔭发现了目前为止银河系最大的恒星级黑洞GaiaBH3(33倍太阳质量)；我国天文学家利用郭守敬望远镜🔭发现了置信度最高的位于质量间隙的小黑洞G3425(3.6倍太阳质量)，说明小质量黑洞可以存在，填补了黑洞质量分布的缺失环节。
中等质量黑洞在哪里？
中等质量黑洞的起源，说法纷纭。
它可能来自很多恒星级黑洞的并合，通过小“种子黑洞”的“聚沙成塔”实现质量的增加；也可能来自宇宙早期第一代恒星的坍缩，或者大质量气体云跳过恒星阶段的直接坍缩。
因为没有确切存在的证据，中等质量黑洞常被称为“缺失的一环”。天文学家曾经通过测量球状星团各个半径处的视向速度弥散曲线，结合数值模拟来判断中等质量黑洞的存在。但这种方法，无法排除星团中心是一群恒星级黑洞和中子星的可能。
2025年，我国天文学家通过轨道回溯，发现一颗超高速星是从星团M15中被甩出去的，这只能来自中等质量黑洞撕开密近双星的引力弹弓效应，这打通了中等质量黑洞存在证据链的最后一环。此外，2018年，天文学家利用黑洞潮汐瓦解恒星的方法，在一个球状星团中证认了一例中等质量黑洞，这也是目前搜寻沉寂黑洞的新兴方法。
引力波也在发现中等质量黑洞方面作出了重要贡献。2019年，激光干涉引力波天文台和室女座引力波天文台发现了一例85倍和66倍太阳质量黑洞的并合事件，并合后的黑洞质量是142倍中等质量黑洞，是目前发现的最小中等质量黑洞。
如何从“种子黑洞”长成超大质量黑洞？
当宇宙还很年轻时，超大质量黑洞就已经存在了。
超大质量黑洞可能以中等质量黑洞为“种子黑洞”，通过不断并合或吸积周围的气体，实现质量的多量级提升。对于那些非常活跃的、正在疯狂“暴饮暴食”的超大质量黑洞，人们常称其为活动星系核或类星体。
超大质量黑洞的形成需要黑洞经过数亿年到数十亿年的持续吸积。但近些年来，人们不断地在宇宙早期发现新的黑洞。2015年，我国天文学家发现了中心黑洞质量约为120亿倍太阳质量的超亮类星体，是当时人类发现的遥远宇宙中发光最亮、中心黑洞质量最大的类星体，红移为6.3，相当于宇宙大爆炸后8亿年左右。2024年，韦布望远镜🔭确认星系GN—z11中存在活跃的超大质量黑洞，其红移为10.6，相当于宇宙诞生后4.3亿年。在如此短的时间内，超大黑洞是如何快速“吃胖”的？这是目前天文学的重大未解之谜。
超大质量双黑洞，也是有趣的天文现象。在宇宙的演化过程中，存在大量的星系并合事件，我们可以想象，很多并合后的星系中会存在两颗超大质量黑洞，它们在非常近的距离上互相绕转。它们在旋进并合过程中会辐射☢️纳—微赫兹引力波，而发现纳赫兹引力波是国际物理学和天文学领域竞赛的焦点之一。2023年，我国天文学家利用天眼望远镜🔭发现了具有纳赫兹引力波特征的信号，表明我国纳赫兹引力波研究与国际同步，达到领先水平。
(作者单位：中国科学院国家天文台)
《 》( 2025年04月12日 06 版)
