问题描述

黑洞是宇宙中最神秘的天体之一，也是天文学和物理学的重要研究对象。天文学家早在上个世纪六十年代就发现了比太阳重几倍到十几倍的“恒星级黑洞”，并在银河系、近邻星系和活动星系中心找到了比太阳重几百万到几十亿倍的“超大质量黑洞”。 近几年随着天文观测技术的飞跃，介于两者之间的“中等质量黑洞”也已被天文学家发现。然而，随着观测资料日益丰富，传统的黑洞形成和演化理论也越来越多地受到质疑和挑战。那么宇宙中的黑洞究竟是如何形成和生长的？三种不同质量范围的黑洞之间存在什么样的联系？如何有效地探测它们？黑洞是否会影响它们赖以生存的天体物理环境？宇宙中是否还存在原初黑洞？对黑洞的研究将如何影响天文学乃至物理学未来的发展？对这些问题的思考有望孕育重大的科学突破。

问题背景

“黑洞”这一概念最早是在十八世纪提出的。二十世纪初广义相对论建立后，黑洞被证明是爱因斯坦场方程的解，因此理论上是可以稳定存在的。上世纪六、七十年代X射线双星的发现和对类星体能源问题的讨论，促使越来越多的天文学家相信宇宙中真的存在黑洞。

随后的研究表明，X射线双星中的黑洞比太阳重几倍到十几倍，这种“恒星级黑洞”可能是大质量恒星塌缩形成的。类星体中的黑洞比太阳重几百万到几十亿倍，这样的 “超大质量黑洞”很可能由恒星级黑洞或比恒星级黑洞重约百倍的“中等质量黑洞”通过吸积气体或者合并逐渐增长起来的。而中等质量黑洞本身也可能是宇宙早期第一代大质量恒星塌缩的产物。

进入二十一世纪后，天文观测技术迅猛发展，与黑洞相关的新观测证据也不断涌现，导致观测和理论之间的矛盾逐渐增多。因此传统的黑洞形成和演化理论也越来越多地受到质疑和挑战。这种局面往往预示着重大的科学突破即将来临。

最新进展（截止问题发布年度）

1、恒星级黑洞：

通过观测X射线，天文学家在银河系内找到了几十个恒星级黑洞，并且发现大多数黑洞在高速自转。银河系内大视场光学巡天项目的开展，让我们在光学波段发现了少数处于“质量间隙” （2到5倍太阳质量或者20倍太阳质量以上）的黑洞候选体。但是最新的星族演化模型估计，银河系内应该有上亿个恒星级黑洞，远远多于目前观测到的数目。2015年以来，引力波窗口的打开让我们探测到了接近一百例双黑洞合并事件。这些黑洞大多比太阳重三到四十倍，有的甚至在合并前就达到了太阳质量的一百倍，远远高于银河系内已探测到的黑洞的质量。

未来的关键难题包括：恒星塌缩形成的黑洞究竟有多重？是否和金属丰度有关？恒星级黑洞能否增长？与自旋是否有关？如何测量引力波黑洞的自旋并区分它们的形成途径？银河系内的大多数黑洞是以什么样的形式存在的且如何更有效地探测到它们？

2、超大质量黑洞：

宁静星系中心普遍存在超大质量黑洞是近二十年来天文学的重要发现之一（银河系中心黑洞的发现获得2020年诺贝尔物理学奖）。依靠天文望远镜的高空间分辨能力和高灵敏度，人们已经能够用动力学方法测量部分黑洞的质量，并且用射电干涉方法直接拍摄了近邻星系M87中黑洞的照片。结果表明，黑洞的质量与星系的整体形态以及物理性质高度相关。这意味着在跨越八到九个数量级的空间尺度上，超大质量黑洞能与其宿主星系相互作用并共同演化，但其内在物理机制仍不清楚。与此同时，天文学家还发现了一批高红移类星体，表明比太阳重几十亿倍的超大质量黑洞已经存在于130亿年前的宇宙。但根据传统理论，宇宙早期第一代恒星形成的黑洞很难在几亿年内通过吸积物质增长到观测到的质量。

未来的关键难题包括：第一代黑洞的种子有多大质量，它们是如何形成和增长的？是否存在吸积率极高的超爱丁顿吸积？黑洞的活动如何影响宿主星系的形态和物理性质？如何探测种子黑洞？如何探测超大质量黑洞合并产生的引力波？如何利用这些引力波检验星系的形成与演化理论？

3、中等质量黑洞：

质量在几千到几万倍太阳质量的中等质量黑洞在观测上非常罕见。近十年中，人们已经通过动力学方法在低质量星系的核心找到了一些中等质量黑洞候选者。此外，在一些星系核区以外新发现的极亮X射线源也被认为可能是“游荡”的中等质量黑洞。但这些解释目前还存在争议。在通过引力波探测发现的黑洞中，个别黑洞在合并后质量接近太阳的两百倍，因此被认为是中等质量黑洞的前身。这表明探测引力波是证明中等质量黑洞存在的有效方法之一。

未来的关键难题包括：中等质量黑洞是如何形成的？为什么在观测上如此罕见？中等质量黑洞与恒星级黑洞、超大质量黑洞有何关系？寻​​找中等质量黑洞的最佳方法是什么？

4、原初黑洞：

理论上，黑洞还可以在宇宙早期由大的密度涨落导致宇宙塌缩而形成，这种黑洞被称为原初黑洞。近年的理论研究表明，它们的质量可以分布在一个很广泛的范围，因此原初黑洞既可以作为“种子”来生长出超大质量黑洞，又可以用于解释地面引力波探测器发现的恒星级黑洞。由于较重的原初黑洞几乎不发光，因此也被认为是宇宙中冷暗物质的一个重要候选者。

未来的关键难题包括：原初黑洞是否是冷暗物质的全部或者重要组成部分？观测上如何区分原初黑洞和天体物理黑洞？伴随原初黑洞形成而产生的诱导引力波有多强，并且如何探测？

重要意义

进一步研究黑洞的形成与演化，能让我们在大质量恒星结构和演化、超新星爆发机制、双星演化、星团动力学模型、吸积盘物理、喷流形成机制、星系形成与演化理论、金属元素在星系和宇宙中的扩散、宇宙再电离过程等方面取得新的突破，从而极大地丰富甚至从根本上改变天文学的基本图像和基础理论。

此外，对黑洞的研究还将继续为物理学基础理论，尤其是强引力场中的物理、暗物质本质、普朗克能标下的物理、量子引力理论等方面，带来新的启示。

预计未来五到二十年，我国的“慧眼”X射线望远镜、“天眼”射电望远镜阵列、“拉索”宇宙线和伽马射线观测站等，以及正在建设或规划中的中国空间站工程巡天望远镜、爱因斯坦探针X射线巡天望远镜、下一代X射线望远镜eXTP、大型光学红外望远镜、“太极”和“天琴”等空间引力波探测项目，都将在黑洞形成与演化领域大有作为。