對黑洞更深入的了解可能會徹底改變科學家們對物理學的理解，但是它們神秘的性質使得它們很難被觀測到。由於引力理論在黑洞附近被打破，詳細的觀察可以使人們對物理學的理解取得突破性進展。升級的望遠鏡、改進的儀器和人工智能可以幫助人們研究這些銀河系的“怪物”。

黑洞所表現出的怪異性讓人摸不著頭腦。黑洞是在恆星燃燒其所有的核燃料並在其自身的引力下坍塌時形成的，它是如此古怪，甚至愛因斯坦也曾一度認為它們是不可能的。

它們是空間中具有如此強烈引力的區域，甚至連光都無法逃脫它們的牽引。一旦宏偉閃亮的恆星燃燒殆盡，縮成一個相對較小的外殼，它們所有的質量都集中在一個小空間裡。想像一下我們的太陽，它的直徑大約為140萬公里，縮小到一個直徑只有6公里的黑洞。這種緊湊性賦予黑洞巨大的引力。

黑洞不僅能捕獲光線，而且它們還能粉碎它們遇到的任何恆星，甚至相互融合。像這樣的事件釋放出的能量爆發，在數十億光年外都能探測到。

2020年的諾貝爾物理學獎由科學家們分享，他們在銀河系中心發現了一個將恆星拉向它的隱形天體。這是一個超大質量黑洞，或稱SMBH，它的質量是我們太陽的數百萬倍。

英國愛丁堡皇家天文台的天體物理學家肯尼斯-鄧肯博士說：“在每個大質量星系的中心，我們認為都有一個超大質量黑洞。我們還認為它們在星系的形成過程中起著非常重要的作用，包括銀河系。”

星系“怪物”

超大質量黑洞是宇宙中的引力“怪物”。愛丁堡大學的天體物理學家菲利普-貝斯特教授說：“星系中心的黑洞的質量可能是我們太陽的100萬到幾十億倍。”

它們從周圍環境中吸入氣體和塵埃，甚至像恆星一樣大的天體。就在這些物質落入黑洞的事件視界之前，它們迅速移動並加熱，以高能閃光的形式釋放能量。發出無線電波的強大物質噴流也可能從這個攝取過程中噴出。

這些可以在地球上用射電望遠鏡探測到，比如歐洲的LOFAR，它在英國、愛爾蘭、法國、荷蘭、德國、瑞典、波蘭和拉脫維亞都有探測器。

鄧肯正在利用LOFAR的觀測結果，在一個名為HIZRAD的項目中識別大質量黑洞。鄧肯說：“我們可以探測到更久遠的成長中的黑洞，目標是找到宇宙中最早的和一些最極端的黑洞。”

LOFAR甚至可以準確定位被遮擋的黑洞。鄧肯已經使用人工智能技術將來自LOFAR和望遠鏡調查的數據結合起來，以確定感興趣的天體。

更好的儀器

更好的儀器將很快協助完成這項任務。位於西班牙拉帕爾馬島的威廉-赫歇爾望遠鏡的升級將使其能夠同時觀測數以千計的星系。一個名為WEAVE的光譜儀有可能探測到超大質量黑洞，並觀察恆星和星系的形成。

無線電信號表明，超大質量黑洞早在宇宙歷史的最初5-10%就已存在。作為研究主管的貝斯特解釋說，這些黑洞有10億太陽質量。

令人驚訝的是，這些“巨無霸”在宇宙的早期階段就存在了。“就宇宙的歷史而言，你必須把所有這些質量弄到一個非常小的體積裡，而且要做得非常快，”貝斯特說。

研究人員知道，在大爆炸之後，宇宙開始成為一團不斷膨脹的原始物質。對宇宙背景輻射的研究表明，最終成團的物質聚集在一起形成了恆星。然而，“形成一個大到10億太陽質量的黑洞的過程還沒有被完全理解，”貝斯特說。

中等質量黑洞

雖然對超大型黑洞的研究正在進行中，但荷蘭奈梅亨的拉德堡德大學的天文學家Peter Jonker博士對中等規模的黑洞的形成很感興趣。

他正在通過imbh項目研究中等質量黑洞（IMBH）的可能存在。他指出，從宇宙只有6億年的時候就已經觀察到了超大質量黑洞。科學家估計宇宙的整體年齡約為138億年。

Jonker說：“宇宙一開始就像一個均勻的’物質湯’，那麼你是如何在很短的時間內得到重量為太陽質量十億倍的團塊的呢？”

雖然超大質量黑洞可能會將類似太陽的恆星（稱為白矮星）整個吞噬掉，但IMBHs應該足夠強大，只能將它們撕碎，發出顯眼的能量閃光。

“當一顆緊湊的恆星，即白矮星，被撕裂時，它只能被中等質量的黑洞撕裂，”Jonker說。“超大質量黑洞將它們整個吞噬掉。有強烈的跡象表明，中等質量的黑洞就在那裡，但目前還沒有證據。”

他正在尋找強烈的X射線能量的閃爍，以表明中間黑洞的存在。問題是，當檢測到信號時，強烈的閃光只持續幾個小時。這意味著數據到達的時間太晚，無法將光學望遠鏡轉向光源進行觀測。

Jonker說：“這種情況每一個星系一萬年才發生一次，所以我們還沒有在我們的銀河系中看到一個。”

Jonker還試圖觀察兩個黑洞旋轉和合併的預期結果，然後發出引力波，撞擊附近的星星。然而，要辨別這些被顛簸的恆星，需要強大的天基望遠鏡。

X射線閃爍

2013年發射的Gaia衛星正在提供一些幫助，但是一個名為Euclid的計劃任務將拍攝更高分辨率的圖像，並可能幫助Jonker證明IMBHs的存在。這顆衛星原定由俄羅斯火箭發射；現在將由歐洲阿麗亞娜6號火箭發射，但稍有延遲。

儘管如此，一顆小型衛星–中國主導的愛因斯坦探針衛星–計劃於2023年發射，並將尋找可能標誌著中等質量黑洞的X射線能量的閃光。愛丁堡的鄧肯說，對中等質量黑洞的搜索與他自己的探索相聯繫。他說：“它有可能幫助我們解決超大質量黑洞來自何處的問題。”

現在，物理學家依靠量子理論和愛因斯坦的方程來描述宇宙的運作方式。然而，這些不能成為最後的發言權，因為它們不能很好地結合起來。

“引力理論在黑洞附近崩潰了，如果我們對它們進行足夠密切的觀察，”Jonker說，“我們的期望是，我們將發現與理論的偏差，並在理解物理學如何工作方面取得重要進展。”