科学家如何观测黑洞？
1915年，史瓦西通过一个关于广义相对论中球形物质分布的解。根据这个解，他发现时空在这个球半径内是如此弯曲，以至于无论什么物质都无法逃离这个球半径，就连光也无法逃离这个球半径。所以黑洞是“黑”的，无法观测，只能间接发现。
黑洞是由大质量恒星演化后期的超新星爆炸形成的。一般30倍太阳质量的恒星会演化成黑洞。根据史瓦西半径的公式，太阳的史瓦西半径是3000米，地球的史瓦西半径是0.9厘米。一般来说，如果地球被压缩到0.9厘米，就会变成黑洞。
一直以来，我们看到的黑洞图片都是科学家根据相关理论用计算机模拟出来的。直到2019年，第一张黑洞照片的公布，再次验证了爱因斯坦广义相对论的正确性。
黑洞是爱因斯坦广义相对论预言的现象。爱因斯坦用广义相对论为黑洞进入科学领域铺平了道路，这不是他的真实意图。
1915年，爱因斯坦发表了一系列关于广义相对论的演讲，声称空间和时间是一个连续体，可以被任何有质量的东西扭曲。扭曲的结果是引力，即引力是时空扭曲的结果，迫使一切事物，从光到行星，甚至从树上掉下来的苹果，沿着弯曲的路径穿过空间。
当爱因斯坦发展广义相对论时，他花了大约十年的时间，用一种叫做张量微积分的数学形式来近似求解他自己的方程。即使是最优秀的科学家也被数学迷惑了。然而，这个挑战并没有阻止爱因斯坦同时代的天文学家，一位名叫卡尔·史瓦西的理论物理学家。史瓦西本质上是一个现实主义者，但他非常善于处理理论概念。爱因斯坦在1915年发表关于广义相对论的文章时，史瓦西是最早意识到它们重要性的人之一。
史瓦西是德国的爱国者，所以一战爆发时，他放下了自己的天文研究，选择了参军。当他读到爱因斯坦的论文时，他正在比利时、法国和俄罗斯打仗。尽管如此，史瓦西还是被广义相对论的精髓所吸引，开始寻找其方程的精确答案。在重病后被送回家两个月后，史瓦西终于能够专心于他的计算。1916年去世前不久，史瓦西完成了他的工作，并于同年晚些时候发表了:《论爱因斯坦理论中的点质量引力场》成为现代相对论研究的支柱之一，史瓦西在该书中提出了他对爱因斯坦未解方程的解答。
当爱因斯坦写下他的广义相对论时，他发现了一种描述引力的新方法，即引力是时空扭曲的结果。物质和能量存在于时空背景中，有三个空间维度和一个时间维度。物体的质量会扭曲时空结构——物体质量越大，对时空的影响越大。就像放在蹦床上的保龄球会拉伸织物，使其下垂一样，行星和恒星也会扭曲时空——这种现象被称为“短线效应”。因此，围绕太阳运行的行星不会被太阳吸引；它只是沿着太阳质量造成的弯曲时空变形运行。行星永远不会落入太阳的原因是由于行星的速度。简而言之，就是“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。”
史瓦西意识到物体表面的逃逸速度取决于它的质量和半径。比如地球的逃逸速度约为每秒11.2公里——这是火箭离开地球前必须达到的速度。但是，如果可以把给定质量的半径做得足够小，逃逸速度就会增加，直到达到光速，也就是每秒30万公里。那时，无论是物质还是辐射都无法从物体表面逃逸。此外，原子力或亚原子力不能使物体承受自身重量。因此，物体坍缩成一个无穷小的点——原来的物体从视野中消失，只剩下它的引力来标志它的存在。这样一来，时空结构中就会产生一个叫做奇点的无底洞。史瓦西还解释说，一个奇点被一个球形引力边界包围着，这个边界总是会困住任何进入的东西。这个边界被称为视界。施瓦辛格还提出了一个计算视界大小的公式。这是史瓦西半径，是时空无底洞的边缘。太阳的史瓦西半径为3km，即其视界距离其表面3km，地球的史瓦西半径为9mm。
史瓦西的论文包含了激进的预测。时空无底洞的想法困扰了许多科学家，包括爱因斯坦。爱因斯坦本人不相信黑洞的存在。虽然他自己的理论预言了黑洞的存在，但他强烈反对这种观点。1939年，爱因斯坦在《数学年鉴》上发表文章，试图证明这样的时空无底洞不可能存在。因为它公然违背了人类的经验——世界是有限的，一切都可以被权衡和衡量。
1967年，美国物理学家约翰·惠勒(john wheeler)改进了史瓦西最初的“一个物体被引力完全坍缩”的说法，并将其命名为黑洞。科学家们在大约五十年的时间里没有意识到它在恒星演化中的重要性，直到最近才意识到它对宇宙发展的巨大影响。现代科学知识是，黑洞确实存在，并且是宇宙最重要的特征之一。天文学家已经能够通过不同的方式间接探测到它们，所以它们的存在是毫无疑问的。
首先要明确一点，爱因斯坦并没有预言黑洞。爱因斯坦在1905年发表了他的狭义相对论后，从1907年开始探索了八年的引力相对论。在经历了许多弯路和错误之后，他于6月在普鲁士科学院做了一次演讲1915438+0，解释了引力是如何工作的，并给出了著名的爱因斯坦引力场方程:
整个方程的意义在于空间物质的能量动量分布决定了空间的弯曲状态。
1916年，德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的真空解。这个解表明，如果大量的物质集中在一个空间中，那么在其周围就会出现一个奇怪的现象，即粒子周围存在一个界面——一旦“视界”进入这个界面，就连光也无法逃逸。这个“不可思议的天体”被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒命名为“黑洞”。
爱因斯坦解释了物体之间存在相互吸引的现象是因为物体的质量扭曲了物体所处环境的时空，这种扭曲的结果迫使所有物体沿着弯曲的路径穿越空间。这个现象在我们上次的观察中感觉到，物质之间存在相关的吸引力。例如，在我们的日常生活中，我们看到苹果从树上掉到地上的现象。爱因斯坦给出了解释:因为地球的存在，地球周围的空间和时间被扭曲了，苹果只是沿着扭曲的空间走；牛顿解:世间万物相互吸引，苹果因为地球引力从树上掉了下来。后来在天文观测中，发现爱因斯坦的理论计算结果更接近天体运行轨迹，比如水星近日点岁差值的计算结果。卡尔·史瓦西(Karl schwarzschild)用爱因斯坦的引力场方程计算出一个特殊的存在，即根据一个物体的质量，其周围环境的时空可以发生扭曲，扭曲的程度与其动力学张量Tuv成正比。通过计算卡尔·史瓦西，我们可以得出以下结论:当一个天体的动力张量Tuv足够大时，其周围环境的时空发生严重扭曲，以至于当光(宇宙中速度最快的物体)接近这个天体一定距离时，就无法逃脱。后来，科学家将这个天体命名为黑洞。
换句话说，爱因斯坦只是给出了一种解释引力现象的方法，而卡尔·史瓦西用这种方法计算了一个特殊的天体，这个天体被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒命名为“黑洞”。
北京时间10晚9时，包括中国在内的全球多地天文学家同时公布了黑洞的“真实内容”。这是人类首次拍摄到黑洞，证明爱因斯坦的广义相对论在极端条件下依然成立。黑洞位于室女座一个巨大椭圆星系M87的中心，距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍。它的核心区域有一个阴影，周围是一个月牙形的光晕，如上图。