恒星级黑洞

当一颗质量非常大的恒星的内核重到任何压力都无法支撑时，它会无限制地坍缩成一个黑洞，这是一个引力如此之强的区域，连光都无法逃逸。

Definition

恒星级黑洞是一种致密残骸，由大质量恒星的内核坍缩形成，其引力强大到由事件视界限定的区域内，包括光在内的任何物质都无法逃逸。

Scope

本主题涵盖了恒星级黑洞由大质量恒星核坍缩形成的过程，广义相对论的史瓦西解和克尔解对其的描述，事件视界和最内稳定轨道，通过X射线双星和引力波对其的探测，以及将其与中子星区分开的质量范围。

Core questions

• 恒星级黑洞是如何形成的？
• 什么是事件视界？
• 我们如何探测一个不发光的物体？
• 恒星级黑洞的质量是多少？

Key concepts

• 事件视界
• 史瓦西半径
• 克尔黑洞
• 吸积盘
• X射线双星
• 引力波
• 质量间隙

Key theories

向黑洞的无限制坍缩

如果坍缩的恒星核心超过了简并压和核力所能支撑的最大质量，那么没有任何已知的压力可以阻止它；广义相对论预测在事件视界内会持续坍缩，这最初由奥本海默和斯奈德对理想化坍缩所展示。

通过吸积和引力波探测

恒星级黑洞在从伴星吸积并发出X射线时被揭示，以及当两个黑洞螺旋合并时发出的引力波，首次于2015年探测到，这些直接测量了它们的质量和自旋。

Mechanisms

足够大质量恒星的坍缩核心会克服所有压力支撑，并落入其史瓦西半径内，形成事件视界。当伴星的气体通过炽热的吸积盘螺旋进入并辐射X射线时，或者当两个黑洞合并并以引力波的形式辐射能量时，这样的黑洞变得可观测。

Clinical relevance

恒星级黑洞在强场状态下检验广义相对论，支撑了X射线双星中吸积物理学和相对论性喷流的研究，并且是地面引力波观测站探测到的主要来源，为计数致密残骸和探测大质量恒星演化开辟了新途径。

History

史瓦西于1916年求解了爱因斯坦点质量方程，奥本海默和斯奈德于1939年建立了引力坍缩模型，克尔于1963年发现了旋转解，首批恒星级黑洞在天鹅座X-1等X射线双星中被识别，随后通过引力波探测得到大规模证实。

Debates

中子星和黑洞之间的质量间隙

最重中子星和最轻黑洞之间是否存在质量分布间隙，以及边界在哪里，仍有争议；处于此质量范围内的引力波事件正在检验这种间隙是否存在。

Key figures

• J. Robert Oppenheimer
• Karl Schwarzschild
• Roy Kerr
• Roger Penrose

Seminal works

• abbott2016
• shapiro1983

Frequently asked questions

如果光都无法逃逸，我们如何观测黑洞？

我们间接探测黑洞：气体在穿过视界之前落向黑洞时会升温并发出X射线，伴星的轨道揭示了一个看不见的大质量物体，合并的黑洞会辐射引力波，地球上的探测器可以测量到这些引力波。

恒星级黑洞的质量有多大？

它们通常是太阳质量的几倍到几十倍，由大质量恒星坍缩形成；这使它们与星系中心发现的数百万到数十亿太阳质量的超大质量黑洞区分开来。