在所有天文學概念中，黑洞也許是最奇異的一個。 黑洞的密度極高，就連光線也無法逃脫，猶如一頭黑暗恐怖的巨獸。 由於一般的物理規律在黑洞中都不適用，黑洞彷彿是專為科幻小說而生的一樣。 然而，眾多直接和間接證據表明，黑洞在宇宙中的的確確是存在的。

愛因斯坦的預言

黑洞是愛因斯坦廣義相對論的必然結果。

德國天文學家卡爾•史瓦西於1916年最早預言了黑洞的存在，認為這是愛因斯坦廣義相對論的必然結果。 換句話說，假如愛因斯坦的理論是正確的（所有證據都指向這一點），那麼黑洞一定存在。 羅傑•彭羅斯和史蒂芬•霍金的研究進一步鞏固了黑洞存在的理論基礎。 其研究顯示，任何天體坍縮成黑洞之後，都會形成一個奇點，且傳統物理學定律在這一點上全部失靈。

伽馬射線暴

地球上的觀測設備已經探測到了一些在黑洞誕生過程中產生的伽馬射線暴。

上世紀30年代，印度天體物理學家蘇布拉馬尼揚•錢德拉塞卡對恆星核燃料耗盡后的結局開展了研究。 他發現，最終結果要取決於恆星的品質。 如果恆星很大，比方說品質達到了太陽的20倍，恆星的緻密內核（光是內核的品質便可高達太陽的兩三倍）便會一直向內坍縮、直至變成一個黑洞。 恆星內核的坍縮速度極快，前後不過短短幾秒，期間會以伽馬射線暴的形式釋放出驚人的能量，相當於一顆普通恆星在漫長一生中釋放出的能量總和。 地球上的望遠鏡已經探測到了多次伽馬射線暴，其中有些還是由數十億光年外的星系發出的，說明我們真的觀察到了黑洞誕生的過程。

引力波

圖為藝術家繪製的引力波概念圖。 兩個黑洞間的引力作用會形成時空漣漪，並以引力波的形式向外擴散。

黑洞並非總是孑然一身，有時它們也會成對出現、圍繞彼此旋轉。 兩個黑洞間的引力作用會形成時空漣漪，並以引力波的形式向外擴散，這也是愛因斯坦相對論提出的預言之一。 在LIGO和Virgo等天文臺的説明下，如今我們已經擁有了探測引力波的能力。 2016年，科學家首次宣佈發現了由兩個黑洞合併產生的引力波。 自此之後，我們又探測到了多次引力波事件。 隨著探測器敏感度不斷提升，科學家還探測到了由除黑洞合併之外的其它事件產生的引力波，比如黑洞和中子星相撞等等。

隱形伴星

圖為三星系統HR 6819中幾個天體的軌道想像圖。

能夠產生伽馬射線暴或引力波的都是短時間內發生的高能事件，也許半個宇宙之外都見得到。 但考慮到它們的本質，大多數黑洞都是探測不到的。 黑洞不會釋放出任何光線或輻射，因此可以默默蟄伏在太空中，天文學家根本意識不到它們的存在。 不過，有一種方法可以探測到它們的存在：利用黑洞對其它恆星造成的引力效應。 2020年，天文學家在觀察看似普通的雙星系統HR 6819時，發現兩顆恆星的運動軌跡有些古怪之處，除非該系統中還存在一個完全隱形的天體，才能解釋這種現象。 計算出它的質量之後，研究人員意識到真相只有一個：這個天體一定是個黑洞。 它距離地球只有一千光年，就位於銀河系之內，是迄今為止發現的距地球最近的黑洞。

X射線

黑洞Cygnus X-1正在吸食一旁的巨大藍色伴星。

1971年，科學家在研究銀河系中一個名叫Cygnus X-1的雙恆星系統時，首次觀察到了黑洞存在的證據。 該系統產生的X射線極為明亮，但這些射線並非來自黑洞或是其可見伴星，而是由黑洞吸收恆星物質時形成的吸積盤產生。 就像剛才提到的雙星系統HR 6819一樣，天文學家也可以利用那顆可見恆星的運動軌跡、估算出Cygnus X-1系統中隱形天體的品質。 最終的計算結果約為太陽品質的21倍，再考慮到該天體所佔的空間較小，說明它只能是一個黑洞，根本不用考慮其它可能性。

超大品質黑洞

銀河系中央也有一個超大品質黑洞。

除了通過恆星坍縮形成的黑洞之外，有證據顯示，星系中央也許還潛伏著一些數量高達太陽數百萬倍、甚至數十億倍的超大品質黑洞，並且它們也許從宇宙早期就開始存在了。 在所謂的「活躍星系」中，這些超大品質黑洞存在的證據堪稱壯觀。 NASA指出，這些星系中央的黑洞周圍都有一圈吸積盤，會釋放出極其強烈的、覆蓋各個波段的輻射。 銀河系中央也有一個黑洞，因為我們觀察到該區域恆星的旋轉速度快得驚人，高達光速的8%，說明它們一定在圍繞某個體積極小、但品質極大的天體旋轉。 目前的估測結果認為，銀河系中央黑洞的品質約為太陽的400萬倍。

“義大利面化”效應

還有一個證明黑洞存在的證據，叫做”義大利面化”效應。 你可能會納悶這是什麼意思，但如果你有機會掉進黑洞里，一切就會不言自明瞭：在黑洞極強的引力拉拽下，你會被拉成細細的長條狀，就像麵條一樣。 雖然這種事不可能發生在你身上，但假如某顆恆星不慎離黑洞太近，這便是它的結局。 2020年10月，天文學家果真觀察到了一顆恆星被黑洞扯碎時發出的閃光。 幸好，這起”悲劇”距我們足有2.15億光年之遙。

黑洞的照片

人類直接拍攝的首張黑洞照片。

到目前為止，我們已經收集了許多黑洞存在的間接證據，包括輻射暴、引力波、以及對其它天體的動力學影響等等，這些都無法由已知的其它天體來解釋。 但在2019年4月，人類終於找到了板上釘釘的證據——事件視界望遠鏡直接拍攝到了M87星系中央超大品質黑洞的照片。 這個望遠鏡的名字可能會造成一定誤導，它其實是一個分散在世界各地的望遠鏡網路，而不是單獨一台望遠鏡。 NASA指出，參與拍攝的望遠鏡越多，能拍到的空間就越大，最終的圖像品質也就越高。 在最終拍到的照片中，我們可以清晰地看到一個質量為太陽65億倍的黑洞呈現出的暗影、以及暗影周圍發著橙色光芒的吸積盤。