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導讀

黑洞是一個非常奇怪的東西。它們是宇宙中最簡單（隻需要用質量、電荷、角動量三個數字就能描述任何一個黑洞），卻又最費解的物體。

這個叫黑洞的什麼家夥真的是一個大洞嗎?實際上並不是，它是一個強大引力場的天體，是一顆衰老而接近死亡的恒星。它的中心熱核燃料氫已經耗盡，核心的坍塌使它最終成為體積不斷縮小、密度不斷增大的星體。這個不斷收縮的星體，以它巨大的引力，吸收它周圍的一切物質。

介於黑洞的研究內容和觀測手段五花八門種類繁多。在此僅按黑洞大小來分類，簡單介紹目前黑洞界有待解決的問題。

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超重黑洞

幾乎每個星係中央都有一個超重黑洞，大約10^6 - 10^10 M（M＝1太陽質量）。

第一，這些超重黑洞是怎麼形成的呢？

在紅移z＝6的地方就已探測到了高達10^9M的超重黑洞。說明這些黑洞在宇宙初期迅速就形成了。可它究竟怎麼從一片小塵埃在短時間內形成一坨這麼大的黑洞？動手一算，就會發現它收集周圍質量的速度要超過愛丁頓極限才行（Eddington limit，理論上的收集質量的上限）。

怎麼辦？目前的幾個解決辦法：一個是這些超重黑洞是直接從灰塵團坍塌時就已經是較大黑洞了再慢慢收集灰塵進去，另一個是先形成許多小黑洞然後慢慢合並成大黑洞，還有就是千方百計去超過愛丁頓極限。但目前人類的科研水平都很實現困難。

第二，活動星係核（AGN）——吸積盤（accretion disk）、噴流（jet）的形成機製、寬線區（broad line region）的形狀等等。

它們的幾何關係大概如下圖：

第三，潮汐撕裂事件，也會造成短期AGN，一個可憐的小胖星（胖了容易被撕裂）離黑洞太近了，然後就被潮汐力給撕裂了。

哭。以下NASA圖解TDE。

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超重雙黑洞

洞如其名，是上文提到的超重黑洞，但是有兩個。這類雙黑洞的存在猜想起源於Begelman, Blandford, Rees 1980。推論過程大概是：既然每個星係都有個超重黑洞在中間，我們又經常看到星係合並，那每次合並，兩個星係中間的黑洞就（通過動摩擦力）掉到新的大星係中間去，變成雙黑洞。

可是稍微算一下，你會發現這兩個黑洞的環繞軌道縮短到大概1 parsec（秒差距，pc）後，就沒有辦法再縮短了，這，便是大名鼎鼎的 “最終秒差距問題”。理論上許多人嚐試在解決這個問題——比如用很多塵埃、或者讓更多恒星進來帶走能量。

觀測上，大家覺得，那不就是說到處都是距離1 pc的雙黑洞咯？找了很多年，方法包括周期性的光變曲線，形狀奇怪的寬線區，還有放射線強度比例。一些人說找到了：比如Graham++2015，Li++2016（國台＋北大） ，但是讓業界全體信服還需時間數據。強調一點，這裏找的雙黑洞是距離非常近的快要到引力波範圍的。距離遠的（~kpc）已經找到不少了（那類一般不叫black hole binary，而是叫dual black holes）如下圖，因為分的比較開所以好找。

超重雙黑洞的合並也可以產生引力波，但LIGO的波段測不到超重雙黑洞，所以那要等到2034年以後，歐洲的eLISA（如下圖）飛上天再說。

脈衝星計時陣（Pulsar Timing Array）也可以觀測到，但是暫時還在找夠脈衝星的階段，暫時沒成果。超重雙黑洞的合並也可以產生引力波，但LIGO的波段測不到超重雙黑洞，所以那要等到2034年以後，歐洲的eLISA飛上天再說。脈衝星計時陣（Pulsar Timing Array）也可以觀測到，但是暫時還在找夠脈衝星的階段，暫時沒成果。

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中級質量黑洞

100－10^6 M
中級黑洞...這個我也不知道要說什麼...他們就是，不是很大，也不是很小...一個恒星造不出來，所以要兩個恒星（或黑洞）撞擊合並而成。目前沒有任何探測（有一些探測但是還沒有完全肯定）。

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恒星級黑洞

同學們都知道它們的存在——大於25M的恒星死了就都是這樣的黑洞。被研究的恒星級黑洞大都是雙星其中的一枚，它和AGN一樣也會有吸盤，然後把圍繞它的可憐恒星的血一滴滴榨幹（如下圖）。研究它們也是為了了解吸盤和噴流的機製，和超重黑洞有異曲同工之處。

恒星級黑洞的研究也有助於了解超新星爆炸的機製。目前在觀測中有一個空白——恒星爆炸後，形成的中子星，最重是2太陽質量PSR J1614-2230，而觀測到的最輕的黑洞，隻有約4太陽質量。那麼從2-4太陽質量之間，究竟是怎麼回事呢？恒星爆炸前的質量，以及之後黑洞的質量之間，又有什麼聯係？

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原初黑洞

怎麼說呢，做這個的人幾乎都是閑來無事、或者喝大了做著玩兒的，自己都不大相信它們的存在。但是相不相信是一回事，有沒有可能又是另外一回事了。原初黑洞尚未被證偽，所以做做玩，有益開腦洞，而且說不定真存在呢！

霍金最初在70年代提出銀河裏可能有原初黑洞，這些黑洞是在宇宙大爆炸物質密度極高時形成的，可以通過霍金輻射來觀測到。後來另外一些人開始想，原初黑洞可以是任意大小，又看不到，那不就是完美的暗物質嘛。

不過最小的原初黑洞（存在的話）應該已經霍金輻射毀掉了。其次1-30M的也被微引力透鏡的觀測給排除了。大過100M的又被排除了，因為它們存在的話就會打亂寬軌雙星（wide binary）的軌跡。所以就剩下30-100M的原初黑洞有可能存在了。。。

“黑洞”無疑是本世紀最具有挑戰性、也最讓人激動的天文學說之一。許多科學家正在為揭開它的神秘麵紗而辛勤工作著，新的理論也不斷地提出。不過，這些當代天體物理學的最新成果不是在這裏三言兩語能說清楚的。