黑洞是我们宇宙中最极端的物体。黑洞通常是由大质量恒星的死亡后形成，大量的质量集中在如此小的体积里，以至于在黑洞周围的某个空间区域内，任何东西都无法逃脱它的引力。在黑洞的视界内，甚至连光本身都无法从黑洞中逃逸出来。
图注：黑洞的视界是一个球形或球状区域，任何东西，甚至光，都不能从中逃逸出来。但在视界之外，黑洞预计会发出辐射。霍金1974年的工作是第一次证明这一点，这可以说是他最伟大的科学成就。
但这并不意味着黑洞将永远存在；相反，由于霍金辐射现象，黑洞会慢慢衰变。在视界之外的空间曲率越强，黑洞衰减越快。基于我们宇宙中存在的黑洞，你可能会想，到底有多少黑洞差不多已经衰变没了，或有多少黑洞正在衰变。时隔138亿年，令人惊讶的答案是零。
图注：对于非旋转的孤立黑洞，黑洞的质量是视界半径的唯一决定因素。对于太阳质量约为1的黑洞，其视界半径约为3公里。
据我们所知，宇宙最初创造黑洞的方式只有三种。这三种创造黑洞方式如下：
一颗超新星，一颗大质量恒星耗尽其核心的燃料，然后在自身引力作用下坍塌，如果核心的质量足够高，就会形成黑洞，
两个恒星残余物的合并，如两个中子星，合并物体的总质量超过某一阈值，
或 直接崩塌，在那里一个大而稠密的物质团自引力超过一个临界阈值，把一个气体云或一个大质量恒星直接变成一个黑洞，没有中间的大灾难。
众所周知，所有这三种情况都会发生，并告诉我们宇宙中存在哪些类型的黑洞。
图注：除了由超新星和中子星合并形成外，黑洞还应有可能通过直接坍塌而形成。 如此处所示的模拟表明，在正确的条件下，宇宙的早期可能会形成100,000至1,000,000太阳质量的种子黑洞。
黑洞的低端阈值似乎在2.5太阳质量附近。 如果天体质量低于该阈值，则个别超新星或合并只会导致形成中子星； 单个粒子产生的压力足够强大，足以支撑该物体以防止引力坍塌。 但是，如果天体超过了中子星的最大质量（如果它不旋转，则其质量为2.5太阳质量，对于最快旋转的中子星，其质量不超过2.75太阳质量），该天体将不可避免地形成黑洞。
但也很容易形成更大、更重的黑洞。更多的大质量恒星产生更多的大质量黑洞。黑洞合并在一起，吸收并吸积物质和能量。任何穿过视界的物体都会被加到它的总质量中。到目前为止，黑洞的质量已经达到了太阳质量的数百亿倍，并发现了大量的这样黑洞。
图注：OJ 287的一个耀斑期的X射线和射电复合物。你在两个视图中看到的“轨道轨迹”暗示了次黑洞的运动。这个系统是一个双星超大质量系统，其中一个分量约为180亿太阳质量，另一个分量约为1.5亿太阳质量。现在在许多系统中发现了太阳质量超过100亿的黑洞。它们不常见，但确实大量存在。
每个黑洞周围都有一个视界：一个任何东西，甚至光，都无法逃逸的区域。任何越过视界边界的物体，不管它有没有质量，最终都会遇到黑洞的中心奇点，从而增加黑洞的总能量。然而，如果黑洞的质量或能量增加，那么视界的物理尺寸也会增加。
这是关于所有黑洞的一个玄奥的事实：它们拥有的质量（或能量）越多，其视界的物理尺寸就越大。质量加倍，视界半径加倍。一个60亿太阳质量的黑洞的事件视界比一个只有6个太阳质量的黑洞大10亿倍。实际上，之所以能够直接对黑洞的事件视界成像，是因为我们恰好有一个巨大的超大质量黑洞位于5000万光年之外。
图注：视界望远镜（Event Horizon Telescope）的第一个发布的图像实现了22.5微秒的分辨率，使阵列能够解析M87中心黑洞的事件视界。单盘望远镜的直径必须达到12,000 km，才能实现相同的清晰度。 请注意4月5/6日图像和4月10/11日图像之间的外观有所不同，这表明黑洞周围的特征随时间变化。这有助于证明同步不同观测值的重要性，而不仅仅是时间平均。
但黑洞更为深远的是，它们不断地发出辐射，导致它们慢慢地失去质量并蒸发。其基本原理是，即使在完全空的空间中，即使没有物质或能量存在，量子场也总是存在。事实上，我们在这个宇宙中拥有基本力和相互作用，这意味着支配它们的领域无处不在。“空空间”（或真空状态）解决方案是允许这些场拥有的最低能量状态。
但是所有这些计算都是在平坦、无扭曲的空间中完成的。 如果空间是扭曲的，特别是如果扭曲得非常强烈（例如在黑洞的事件视界附近），则场的最低能量状态将不同于平面空间解决方案。通过计算扭曲空间（靠近黑洞）和平坦空间（远离黑洞）之间的那些重要差异来发现霍金辐射。
图注：当一颗恒星靠近一个超大质量的黑洞时，它进入一个区域，该区域的空间扭曲得更严重，因此，它发出的光具有更大的潜能。量子真空是空空间本身的一个特性，它在扭曲空间（靠近黑洞）和平坦空间（远离它）之间有所不同。
我们从霍金辐射中学到的东西非常重要。它告诉我们：
辐射量有多大，
质量/能量损失率是多少，
这取决于黑洞的总质量和视界的大小，
黑洞辐射的温度是多少。
这可能是一个违反直觉的结果，但由于较大、质量更大的黑洞具有更大的视界，霍金辐射的速率对于质量最低的黑洞来说是最快、能量最高的。换句话说，最小、质量最低的黑洞是蒸发最快的黑洞。如果我们想知道最快的黑洞衰变的速度，我们需要看看我们能产生的最小质量黑洞：2.5个太阳质量。
图注：2019年4月25日发生了两个中子星合并形成黑洞。
当然，这些黑洞不仅仅是孤立地存在于宇宙的其他地方。它们和其他任何东西一样，都有可能遭遇到外面的一切：恒星、行星、气体、尘埃、等离子体、天体、暗物质、辐射等等。即使你想象到了最极端的情况——星系间空间深处的一个黑洞，其周围没有物质，它仍将有两个主要源与之抗衡辐射：星光和大爆炸的残余辉光。
宇宙中大约有万亿个星系，平均每个星系包含数千亿颗恒星，以星光的形式在宇宙中加速的总能量是巨大的：每立方米空间大约有800万电子伏特的能量。但是大爆炸的余辉——宇宙微波背景，其产生的能量比这还要大30倍。
图注：黑洞以吸收物质和拥有一个任何东西都逃不掉的视界而闻名。然而，即使你将一个黑洞完全与宇宙中的其他物质隔离开来，它仍然会遇到贯穿整个空间的辐射：来自宇宙微波背景和来自星光的辐射。
这意味着，我们必须比较两种速率，才能知道黑洞是在随着时间的推移而主动衰变（失去的能量大于获得的能量）还是在增长（获得的能量大于失去的能量）。宇宙能产生的最小质量黑洞所发射的霍金辐射是质量和能量的最大损失率，而黑洞从星光和宇宙微波背景吸收的能量是质量和能量的最小增益率。
那么，当我们做这些计算时会得到什么呢？
对于霍金辐射，这个质量最低的黑洞（2.5个太阳质量）应该在25纳米开尔文的温度下辐射，每秒发射大约10^(-29)焦耳的能量。
对于星光加上宇宙微波背景，同一个黑洞（与一个2.5太阳质量的黑洞大小相同）每秒吸收大约800焦耳的能量。
图注：所有无质量粒子都以光速运动，但光子的不同能量转化为不同的波长大小。宇宙微波背景中单个光子的能量，比我们宇宙中任何一个真实黑洞在一秒钟内所发出的霍金辐射都含有更多的能量。
换言之，它甚至都不接近。来自宇宙微波背景的单个光子平均携带的能量，是真实黑洞每秒发射的霍金辐射的100万倍。假设一个2.5太阳质量的黑洞每秒吸收10^25个光子，很明显宇宙中的每个黑洞都在增长，而不是衰变。如果想让黑洞更快地衰变，你有两个选择：
你可以降低它的质量，
或者 你可以等。
如果有一个黑洞，它的质量只有水星的质量，它的霍金辐射率将足够大，足以平衡吸收的辐射，但最小的黑洞的质量仍然是水星的1400万倍。如果等到宇宙诞生到大约10^20年，来自吸收的星光和宇宙微波背景辐射的能量将最终下降到霍金辐射所发射的能量以下，但这要等到宇宙是现在的100亿倍时才会发生。
图注：黑洞的模拟衰变不仅会产生辐射，而且会导致维持大多数物体稳定的中心轨道质量的衰变。然而，一旦黑洞的衰变率超过了增长率，它将真正开始衰变。对于我们宇宙中的黑洞来说，只有当宇宙的年龄是现在的100亿倍时才会出现。
宇宙中存在的每一个黑洞都应该发出霍金辐射，如果足够长的时间，所有这些黑洞最终都会衰变，这一点仍然是正确的。但是到目前为止，在我们的宇宙中，基于实际存在的黑洞，甚至没有一个黑洞开始有意义地衰变。来自星光和大爆炸遗留下来的辐射的数量和能量，确保了黑洞吸收和增长的速度要比霍金辐射它所损失的能量快得多。
尽管自霍金首次发现黑洞确实发出辐射以及发出的辐射看起来已经过去了45年多，但对于我们来说，它实在是太微弱和稀疏，以至于无法检测到它。除非有一个质量很低的黑洞，或者我们愿意等待一个巨大的宇宙时间让宇宙冷却，否则我们永远看不到它。黑洞在增长，而不是衰变，这就是天体物理学告诉我们确切的原因。
