黑洞是宇宙中最极端的天体之一，但它们并非全都相同。天文学家主要根据质量将它们分为四大类：恒星质量黑洞、中等质量黑洞、超大质量黑洞以及仍处于理论阶段的原始黑洞。每种类型都讲述了宇宙如何在宇宙时间中构建结构的不同故事。
恒星质量黑洞：最常见的类型
当一颗质量超过太阳约20倍的恒星耗尽核燃料，其核心在自身引力作用下坍缩时，就会形成恒星质量黑洞。坍缩引发超新星爆炸，剩下的是一个密度极高的天体，其引力甚至阻止光线逃逸。
这些黑洞的质量通常从太阳质量的几倍到大约100倍太阳质量不等。它们散布在星系各处，通常出现在双星系统中，从伴星吸取气体。下落的气体升温并发射X射线，天文学家正是通过这种方式探测到大多数恒星质量黑洞。1970年代发现的天鹅座X-1是第一个被广泛接受的黑洞候选体，至今仍是教科书式的范例。
天文学家估计，仅银河系就可能包含多达1亿个恒星质量黑洞，但只有大约50个得到确认。LIGO和Virgo等引力波天文台定期探测到这些天体对之间的合并，提供精确的质量和自旋测量数据，有助于绘制其群体分布图。
超大质量黑洞：星系巨人
在质量范围的另一端是超大质量黑洞，其质量从数十万倍到数十亿倍太阳质量不等。这些天体位于几乎所有大型星系的中心，包括银河系。
位于我们星系核心的超大质量黑洞人马座A*的质量约为400万个太阳。位于霍尔姆伯格15A星系中心的黑洞至少有400亿倍太阳质量，是已知最重的黑洞之一。
超大质量黑洞如何变得如此巨大，仍然是天体物理学中的一个未解问题。有些可能是在早期宇宙中由巨大的气体云直接坍缩形成。另一些则可能通过与较小黑洞反复合并以及持续吞噬周围气体和恒星而增长。观测显示，一些超大质量黑洞在大爆炸后不到10亿年就已经存在，这迫使形成理论必须解释其早期快速增长。
当超大质量黑洞活跃地吞噬大量物质时，它们驱动着宇宙中最亮的一些天体：类星体和活动星系核。事件视界望远镜通过瞄准M87和银河系中的超大质量黑洞，首次直接拍摄到了黑洞阴影的图像。
中等质量黑洞：缺失的一环
在恒星质量和超大质量类别之间，存在着一个长期困扰天文学家的群体。质量范围大约在100到10万倍太阳质量之间的中等质量黑洞，预计会大量存在。恒星质量黑洞在宇宙时间尺度上的碰撞本应产生一个连续的大小分布。然而，已确认的实例仍然稀少。
已经找到了几个有希望的候选体。哈勃太空望远镜拍摄到了一个编号为3XMM J215022.4-055108的天体，估计质量约为5万个太阳。2019年，LIGO探测到了GW190521，这是来自两个黑洞合并的引力波信号，最终产生了一个142倍太阳质量的天体，正好处于中等质量范围。
科学家认为，中等质量黑洞可能是超大质量黑洞生长的种子。找到足够多的中等质量黑洞将填补演化图景中的一个关键空白。它们被认为潜伏在球状星团和矮星系等密集的恒星环境中，在这些地方，反复合并和气体吸积可能逐渐积累其质量。
原始黑洞：宇宙化石
第四类仍处于假设阶段。原始黑洞可能不是由恒星坍缩形成，而是来自大爆炸后第一秒内的密度涨落，当时宇宙仍然足够热和致密，使得物质团块直接坍缩成黑洞。
这些天体的质量范围跨度极大，从不到一个回形针的质量到10万倍太阳质量。最小的原始黑洞早已通过霍金辐射蒸发殆尽，但较大的黑洞今天可能仍然存在。
迄今为止尚未确认任何原始黑洞，这使其成为最活跃的理论研究领域之一。一些宇宙学家提出，它们可能构成宇宙暗物质的一部分或全部。另一些人则认为，它们可能是最早一批超大质量黑洞生长的种子。未来的巡天观测和引力波观测可能有助于解答这个问题。
这些类别之间的界限并非固定不变。科学家们正在不断重新评估一种类型在哪里结束、另一种类型在哪里开始。将它们联系在一起的是相同的基本物理学：一个时空区域，在这里引力取得了胜利，普通宇宙的规则不再适用。
图像：
- 恒星质量黑洞从伴星吸取物质的示意图（NASA）
- 超大质量黑洞人马座A*多波段合成图（NASA/ESA/CXC/STScI）
- 中等质量黑洞候选体3XMM J215022.4-055108的哈勃图像（NASA/ESA/D. Lin）
- 原始黑洞形成概念示意图（NASA）
婷 翻译