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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（只需要用質(zhì)量、電荷、角動量三個數(shù)字就能描述任何一個黑洞），卻又最費解的物體。

這個叫黑洞的什么家伙真的是一個大洞嗎?實際上并不是，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(jīng)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(zhì)。

介于黑洞的研究內(nèi)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

幾乎每個星系中央都有一個超重黑洞，大約10^6 - 10^10 M☉（M☉＝1太陽質(zhì)量）。

第一，這些超重黑洞是怎么形成的呢？

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?？伤烤乖趺磸囊黄m埃在短時間內(nèi)形成一坨這么大的黑洞？動手一算，就會發(fā)現(xiàn)它收集周圍質(zhì)量的速度要超過愛丁頓極限才行（Eddington limit，理論上的收集質(zhì)量的上限）。

怎么辦？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(jīng)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后慢慢合并成大黑洞，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(xiàn)困難。

第二，活動星系核（AGN）——吸積盤（accretion disk）、噴流（jet）的形成機制、寬線區(qū)（broad line region）的形狀等等。

它們的幾何關系大概如下圖：

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，然后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于Begelman, Blandford, Rees 1980。推論過程大概是：既然每個星系都有個超重黑洞在中間，我們又經(jīng)?？吹叫窍岛喜?，那每次合并，兩個星系中間的黑洞就（通過動摩擦力）掉到新的大星系中間去，變成雙黑洞。

可是稍微算一下，你會發(fā)現(xiàn)這兩個黑洞的環(huán)繞軌道縮短到大概1 parsec（秒差距，pc）后，就沒有辦法再縮短了，這，便是大名鼎鼎的 “最終秒差距問題”。理論上許多人嘗試在解決這個問題——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(qū)，還有放射線強度比例。一些人說找到了：比如Graham++2015，Li++2016（國臺＋北大），但是讓業(yè)界全體信服還需時間數(shù)據(jù)。強調(diào)一點，這里找的雙黑洞是距離非常近的快要到引力波范圍的。距離遠的（~kpc）已經(jīng)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。

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

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

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中級質(zhì)量黑洞

100－10^6 M☉
中級黑洞...這個我也不知道要說什么...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）撞擊合并而成。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——大于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，然后把圍繞它的可憐恒星的血一滴滴榨干（如下圖）。研究它們也是為了了解吸盤和噴流的機制，和超重黑洞有異曲同工之處。

恒星級黑洞的研究也有助于了解超新星爆炸的機制。目前在觀測中有一個空白——恒星爆炸后，形成的中子星，最重是2太陽質(zhì)量PSR J1614-2230，而觀測到的最輕的黑洞，只有約4太陽質(zhì)量。那么從2-4太陽質(zhì)量之間，究竟是怎么回事呢？恒星爆炸前的質(zhì)量，以及之后黑洞的質(zhì)量之間，又有什么聯(lián)系？

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原初黑洞

怎么說呢，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年代提出銀河里可能有原初黑洞，這些黑洞是在宇宙大爆炸物質(zhì)密度極高時形成的，可以通過霍金輻射來觀測到。后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(zhì)嘛。

不過最小的原初黑洞（存在的話）應該已經(jīng)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(zhàn)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面紗而辛勤工作著，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里三言兩語能說清楚的。