在浩瀚无垠的宇宙中，黑洞宛如神秘的幽灵，以其独特的存在吸引着科学家们的目光。它由广义相对论预言，是时空曲率达到极致的天体，强大到连光都无法逃脱其引力束缚，故而得名“黑洞”。这一概念源于爱因斯坦的引力理论，描绘出一种引力超乎想象的极端天体形象。
黑洞概念的数学根基可追溯至1916年。当时，德国天文学家卡尔·史瓦西通过对爱因斯坦场方程的深入计算，得到了一个真空解。这个具有开创性的解表明，当一个静态球对称星体的实际半径小于与其质量相关的特定值时，其周围会出现奇异现象——存在一个名为“视界”的界面。一旦物质或光线进入这个界面，便再也无法逃脱，这个决定性的临界值被命名为“史瓦西半径”。不过，“黑洞”这一形象生动的名称并非由物理学家最初提出。1964年，科学记者安·尤因在一篇文章中首次使用该词描述这种不可思议的天体，随后被美国著名物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒采纳并大力推广，最终成为科学界和公众共同认可的标准称谓。
进入21世纪，黑洞的观测研究不断取得突破。2024年2月，澳大利亚国立大学研究人员领衔的团队在英国《自然·天文学》杂志发表论文，宣布发现迄今已知成长最快的黑洞，这个宇宙“巨兽”每天吞噬的物质质量相当于一个太阳。紧接着在2025年4月，一支国际研究团队确认发现了在太空中独自漂流的孤立黑洞，这一发现进一步拓展了人类对黑洞存在形式的认知。
从广义相对论视角来看，黑洞的本质可通过几个核心概念理解。首先是时空曲率极大，爱因斯坦的广义相对论揭示物质和能量会使时空结构弯曲，黑洞通常由大质量恒星演化末期引力坍缩形成。在坍缩过程中，巨量物质被压缩到极小空间区域，物质密度趋近无穷大，产生极强引力场，使周围时空结构极度扭曲。其次是事件视界，这是黑洞最关键的边界特征，在此边界以内，任何物体包括光线都无法逃脱黑洞引力束缚，一旦越过便会被拉向黑洞中心的奇点，且事件视界大小与黑洞质量成正比。最后是光无法逃脱的特性，由于黑洞引力极强，光子也无法克服引力逃离，所以黑洞既不发射也不反射电磁辐射，人类无法通过传统光学手段直接“看见”它，目前科学家主要依靠探测黑洞对周围物质产生的引力效应、吸积盘辐射以及引力波等间接方式推断其存在与性质。
黑洞的形成与大质量恒星的演化终结紧密相关。根据恒星演化理论，能最终形成黑洞的恒星原始质量通常大于太阳质量的25倍以上。这样的恒星在生命晚期会发生极其剧烈的超新星爆发。恒星演化始于核心的氢核聚变，最初恒星只含氢元素，在内部高温高压条件下，氢原子核相互碰撞发生聚变生成氦并释放巨大能量，这些能量产生的向外压力与恒星自身万有引力抗衡，维持恒星结构稳定。随着氢燃料消耗，氦元素开始参与聚变生成更重元素，直至生成铁元素。铁元素出现标志着恒星核合成过程终结，因为铁原子核非常稳定，参与聚变时释放能量小于触发聚变所需能量，聚变反应停止，恒星内部不再有足够能量抵抗自身巨大万有引力，平衡被打破，恒星核心开始急速向内坍缩。依据爱因斯坦广义相对论，当垂死恒星崩溃向中心塌缩，若坍缩后剩余核心质量大于托尔曼 - 奥本海默 - 沃尔科夫极限（估计在2.5 - 4倍太阳质量左右），引力坍缩将无限进行下去，直到形成体积无限小、密度几乎无限大的奇点。当坍缩天体半径收缩到小于其史瓦西半径时，质量导致的时空扭曲达到极致，光也无法向外射出，黑洞就此诞生。具体而言，当恒星核心剩余质量小于该极限，将形成中子星，支撑星体的压力来自中子间的强相互作用和简并压；当核心质量大于该极限，收缩过程无休止，中子间排斥力也无法阻挡，中子被碾碎，最终形成密度极高的物质状态。然而，外部观测者无法直接“看到”黑洞形成过程，由于广义相对论预言的引力时间膨胀效应，外部观测者只能看到坍缩物质在视界上方逐渐变慢直到停止，来自坍缩物质的光抵达观测者时间越来越延迟，抵达视界前一刻发出的光会无限期延迟，所以外部观测者从未见到事件视界形成，坍缩物质变得越来越暗，最终逐渐从视野中消失。
传统观念认为黑洞是“只进不出”的引力陷阱，但现代物理学深入研究表明，黑洞具有更丰富物理性质。从热力学角度看，黑洞具有熵和温度等热力学性质，黑洞熵与事件视界面积成正比，温度则与质量成反比，这意味着黑洞并非完全“死寂”天体，而是具有一定热动力学行为，会通过特定过程缓慢释放能量。从量子力学角度探索，黑洞与量子场论结合引发许多深刻理论探讨，其中最著名的是“黑洞信息悖论”。理论上认为，在黑洞事件视界附近，量子效应会导致粒子 - 反粒子对随机产生，其中一个粒子可能落入黑洞，另一个粒子可能逃逸形成霍金辐射，这一理论显示了黑洞与量子世界之间的微妙联系。霍金辐射理论由英国物理学家史蒂芬·霍金于1974年提出，该理论基于量子物理中的“隧道效应”现象。在量子世界中，粒子概率密度分布虽倾向于能量较低区域，但在能量相当高地方，粒子概率密度仍不为零，即粒子有一定概率穿越经典物理中无法穿透的“势垒”，对光子而言，黑洞边界就是这样一堵能量极高势垒，但光子仍有一定概率隧穿出去。霍金通过精妙计算，将广义相对论与量子理论相结合，提出黑洞辐射理论模型。他假设在黑洞附近，量子涨落会导致正粒子 - 反粒子对创生，若这一过程发生在黑洞事件视界附近，可能有四种情况发生：两粒子相互湮灭；两粒子都被吸入黑洞；正粒子被吸入黑洞而反粒子逃逸；反粒子被吸入黑洞而正粒子逃逸。对于最后一种情况，在黑洞附近创生的一对粒子中，反粒子被吸入黑洞，正粒子逃逸，由于能量守恒定律，若设反粒子携带负能量，正粒子携带正能量，那么反粒子被吸入黑洞可视为一个正粒子从黑洞逃逸，这意味着黑洞总能量减少，根据爱因斯坦质能方程E = mc²，能量损失必然导致质量损失。霍金计算出黑洞辐射光子温度公式，这一现象被称为霍金辐射。在经典广义相对论框架中，由于没有光子能从黑洞中逃逸，黑洞温度被认为是绝对零度，但霍金理论表明，每个黑洞都有一定温度，且温度高低与黑洞质量成反比，大黑洞温度低，蒸发微弱；小黑洞温度高，蒸发强烈，类似剧烈爆发。
霍金辐射理论深刻改变了人们对黑洞演化与最终命运的理解。当黑洞通过霍金辐射损失质量时，温度会升高，发射率增加，导致质量损失更快。不过，这种“霍金辐射”对大多数黑洞来说微弱到可以忽略不计。理论计算表明，一个太阳质量的黑洞，大约需要10⁶⁷年才能通过霍金辐射蒸发殆尽，这个时间尺度远超当前宇宙年龄（约138亿年）。实际上，由于大质量黑洞霍金辐射温度比宇宙微波背景辐射温度（约2.7开尔文）还要低，恒星质量级及更大黑洞在可观测宇宙时期内，质量实际上是只增不减。只有质量小于月球质量（对应直径小于0.1毫米）的微型黑洞，其霍金辐射才显著到可能被观测，这样的小黑洞会以极高速度辐射能量，例如一颗小行星质量的黑洞可能在10¹⁹秒内蒸发干净。宇宙中黑洞霍金辐射极难直接观测，但有学者提出，原初黑洞（形成于宇宙早期微型黑洞）在蒸发到最后阶段可能会释放伽马射线暴，不过这一理论预测尚未得到观测证实。美国航空航天局（NASA）在2008年发射的费米伽马射线太空望远镜等重要观测设备，正持续寻找这类可能爆发信号，以期验证霍金辐射理论。
