黑洞是我們宇宙中最極端的物體。黑洞通常是由大品質恆星的死亡後形成，大量的品質集中在如此小的體積裡，以至於在黑洞周圍的某個空間區域內，任何東西都無法逃脫它的引力。在黑洞的視界內，甚至連光本身都無法從黑洞中逃逸出來。

圖注：黑洞的視界是一個球形或球狀區域，任何東西，甚至光，都不能從中逃逸出來。但在視界之外，黑洞預計會發出輻射。霍金1974年的工作是第一次證明這一點，這可以說是他最偉大的科學成就。

但這並不意味著黑洞將永遠存在；相反，由於霍金輻射現象，黑洞會慢慢衰變。在視界之外的空間曲率越強，黑洞衰減越快。基於我們宇宙中存在的黑洞，你可能會想，到底有多少黑洞差不多已經衰變沒了，或有多少黑洞正在衰變。時隔138億年，令人驚訝的答案是零。

圖注：對於非旋轉的孤立黑洞，黑洞的品質是視界半徑的唯一決定因素。對於太陽品質約為1的黑洞，其視界半徑約為3公里。

據我們所知，宇宙最初創造黑洞的方式只有三種。這三種創造黑洞方式如下：

一顆超新星，一顆大品質恆星耗盡其核心的燃料，然後在自身引力作用下坍塌，如果核心的品質足夠高，就會形成黑洞，兩個恆星殘餘物的合併，如兩個中子星，合併物體的總品質超過某一閾值，或 直接崩塌，在那裡一個大而稠密的物質團自引力超過一個臨界閾值，把一個氣體雲或一個大品質恆星直接變成一個黑洞，沒有中間的大災難。

眾所周知，所有這三種情況都會發生，並告訴我們宇宙中存在哪些型別的黑洞。

圖注：除了由超新星和中子星合併形成外，黑洞還應有可能通過直接坍塌而形成。 如此處所示的模擬表明，在正確的條件下，宇宙的早期可能會形成100,000至1,000,000太陽品質的種子黑洞。

黑洞的低端閾值似乎在2.5太陽品質附近。 如果天體品質低於該閾值，則個別超新星或合併只會導致形成中子星； 單個粒子產生的壓力足夠強大，足以支撐該物體以防止引力坍塌。 但是，如果天體超過了中子星的最大品質（如果它不旋轉，則其品質為2.5太陽品質，對於最快旋轉的中子星，其品質不超過2.75太陽品質），該天體將不可避免地形成黑洞。

但也很容易形成更大、更重的黑洞。更多的大品質恆星產生更多的大品質黑洞。黑洞合併在一起，吸收並吸積物質和能量。任何穿過視界的物體都會被加到它的總品質中。到目前為止，黑洞的品質已經達到了太陽品質的數百億倍，並發現了大量的這樣黑洞。

圖注：OJ 287的一個耀斑期的X射線和射電覆合物。你在兩個檢視中看到的“軌道軌跡”暗示了次黑洞的運動。這個系統是一個雙星超大品質系統，其中一個分量約為180億太陽品質，另一個分量約為1.5億太陽品質。現在在許多系統中發現了太陽品質超過100億的黑洞。它們不常見，但確實大量存在。

每個黑洞周圍都有一個視界：一個任何東西，甚至光，都無法逃逸的區域。任何越過視界邊界的物體，不管它有沒有品質，最終都會遇到黑洞的中心奇點，從而增加黑洞的總能量。然而，如果黑洞的品質或能量增加，那麼視界的物理尺寸也會增加。

這是關於所有黑洞的一個玄奧的事實：它們擁有的品質（或能量）越多，其視界的物理尺寸就越大。品質加倍，視界半徑加倍。一個60億太陽品質的黑洞的事件視界比一個只有6個太陽品質的黑洞大10億倍。實際上，之所以能夠直接對黑洞的事件視界成像，是因為我們恰好有一個巨大的超大品質黑洞位於5000萬光年之外。

圖注：視界望遠鏡（Event Horizon Telescope）的第一個釋出的影象實現了22.5微秒的解析度，使陣列能夠解析M87中心黑洞的事件視界。單盤望遠鏡的直徑必須達到12,000 km，才能實現相同的清晰度。 請注意4月5/6日影象和4月10/11日影象之間的外觀有所不同，這表明黑洞周圍的特徵隨時間變化。這有助於證明同步不同觀測值的重要性，而不僅僅是時間平均。

但黑洞更為深遠的是，它們不斷地發出輻射，導致它們慢慢地失去品質並蒸發。其基本原理是，即使在完全空的空間中，即使沒有物質或能量存在，量子場也總是存在。事實上，我們在這個宇宙中擁有基本力和相互作用，這意味著支配它們的領域無處不在。“空空間”（或真空狀態）解決方案是允許這些場擁有的最低能量狀態。

但是所有這些計算都是在平坦、無扭曲的空間中完成的。 如果空間是扭曲的，特別是如果扭曲得非常強烈（例如在黑洞的事件視界附近），則場的最低能量狀態將不同於平面空間解決方案。通過計算扭曲空間（靠近黑洞）和平坦空間（遠離黑洞）之間的那些重要差異來發現霍金輻射。

圖注：當一顆恆星靠近一個超大品質的黑洞時，它進入一個區域，該區域的空間扭曲得更嚴重，因此，它發出的光具有更大的潛能。量子真空是空空間本身的一個特性，它在扭曲空間（靠近黑洞）和平坦空間（遠離它）之間有所不同。

我們從霍金輻射中學到的東西非常重要。它告訴我們：

輻射量有多大，品質/能量損失率是多少，這取決於黑洞的總品質和視界的大小，黑洞輻射的溫度是多少。

這可能是一個違反直覺的結果，但由於較大、品質更大的黑洞具有更大的視界，霍金輻射的速率對於品質最低的黑洞來說是最快、能量最高的。換句話說，最小、品質最低的黑洞是蒸發最快的黑洞。如果我們想知道最快的黑洞衰變的速度，我們需要看看我們能產生的最小品質黑洞：2.5個太陽品質。

圖注：2019年4月25日發生了兩個中子星合併形成黑洞。

當然，這些黑洞不僅僅是孤立地存在於宇宙的其他地方。它們和其他任何東西一樣，都有可能遭遇到外面的一切：恆星、行星、氣體、塵埃、等離子體、天體、暗物質、輻射等等。即使你想象到了最極端的情況——星系間空間深處的一個黑洞，其周圍沒有物質，它仍將有兩個主要源與之抗衡輻射：星光和大爆炸的殘餘輝光。

宇宙中大約有萬億個星系，平均每個星系包含數千億顆恆星，以星光的形式在宇宙中加速的總能量是巨大的：每立方米空間大約有800萬電子伏特的能量。但是大爆炸的餘輝——宇宙微波背景，其產生的能量比這還要大30倍。

圖注：黑洞以吸收物質和擁有一個任何東西都逃不掉的視界而聞名。然而，即使你將一個黑洞完全與宇宙中的其他物質隔離開來，它仍然會遇到貫穿整個空間的輻射：來自宇宙微波背景和來自星光的輻射。

這意味著，我們必須比較兩種速率，才能知道黑洞是在隨著時間的推移而主動衰變（失去的能量大於獲得的能量）還是在增長（獲得的能量大於失去的能量）。宇宙能產生的最小品質黑洞所發射的霍金輻射是品質和能量的最大損失率，而黑洞從星光和宇宙微波背景吸收的能量是品質和能量的最小增益率。

那麼，當我們做這些計算時會得到什麼呢？

對於霍金輻射，這個品質最低的黑洞（2.5個太陽品質）應該在25奈米開爾文的溫度下輻射，每秒發射大約10^(-29)焦耳的能量。對於星光加上宇宙微波背景，同一個黑洞（與一個2.5太陽品質的黑洞大小相同）每秒吸收大約800焦耳的能量。圖注：所有無品質粒子都以光速運動，但光子的不同能量轉化為不同的波長大小。宇宙微波背景中單個光子的能量，比我們宇宙中任何一個真實黑洞在一秒鐘內所發出的霍金輻射都含有更多的能量。

換言之，它甚至都不接近。來自宇宙微波背景的單個光子平均攜帶的能量，是真實黑洞每秒發射的霍金輻射的100萬倍。假設一個2.5太陽品質的黑洞每秒吸收1025個光子，很明顯宇宙中的每個黑洞都在增長，而不是衰變。如果想讓黑洞更快地衰變，你有兩個選擇：

你可以降低它的品質，或者 你可以等。

如果有一個黑洞，它的品質只有水星的品質，它的霍金輻射率將足夠大，足以平衡吸收的輻射，但最小的黑洞的品質仍然是水星的1400萬倍。如果等到宇宙誕生到大約1020年，來自吸收的星光和宇宙微波背景輻射的能量將最終下降到霍金輻射所發射的能量以下，但這要等到宇宙是現在的100億倍時才會發生。

圖注：黑洞的模擬衰變不僅會產生輻射，而且會導致維持大多數物體穩定的中心軌道品質的衰變。然而，一旦黑洞的衰變率超過了增長率，它將真正開始衰變。對於我們宇宙中的黑洞來說，只有當宇宙的年齡是現在的100億倍時才會出現。

​宇宙中存在的每一個黑洞都應該發出霍金輻射，如果足夠長的時間，所有這些黑洞最終都會衰變，這一點仍然是正確的。但是到目前為止，在我們的宇宙中，基於實際存在的黑洞，甚至沒有一個黑洞開始有意義地衰變。來自星光和大爆炸遺留下來的輻射的數量和能量，確保了黑洞吸收和增長的速度要比霍金輻射它所損失的能量快得多。

儘管自霍金首次發現黑洞確實發出輻射以及發出的輻射看起來已經過去了45年多，但對於我們來說，它實在是太微弱和稀疏，以至於無法檢測到它。除非有一個品質很低的黑洞，或者我們願意等待一個巨大的宇宙時間讓宇宙冷卻，否則我們永遠看不到它。黑洞在增長，而不是衰變，這就是天體物理學告訴我們確切的原因。