關於黑洞的研究方向都有哪些？

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現在世界上,關於黑洞的研究,一般都是在做哪些研究,未解決問題有哪些,特別是關於黑洞吸積盤有哪些方向。

黑洞是一個奇妙的東東。它們是宇宙中最簡單（只需要用質量、電荷、角動量三個數字就能描述任何一個黑洞），卻又最費解的物體。在此僅按黑洞大小來分類，簡單介紹目前黑洞界有待解決的問題。介於黑洞的研究內容和觀測手段五花八門種類繁多，如有疏漏還請指正。

（1）超重黑洞（supermassive black holes）：幾乎每個星系中央都有一個超重黑洞，大約10^6 - 10^10 M☉（M☉＝1太陽質量）。

第一，這些超重黑洞是怎麼形成的？在紅移z＝6的地方就已探測到了高達10^9M☉的超重黑洞。說明這些黑洞在宇宙初期迅速就形成了。可它究竟怎麼從一片小塵埃在短時間內形成一坨這麼大的黑洞？動手一算，就會發現它收集周圍質量的速度要超過愛丁頓極限才行（Eddington limit，理論上的收集質量的上限）。腫摸辦？目前的幾個解決辦法：一個是這些超重黑洞是直接從灰塵團坍塌時就已經是較大黑洞了再慢慢收集灰塵進去，另一個是先形成許多小黑洞然後慢慢合併成大黑洞，還有就是千方百計去超過愛丁頓極限。。但都困難重重。

第二，活動星系核（AGN）——吸積盤（accretion disk）、噴流（jet）的形成機制、寬線區（broad line region）的形狀等等。它們的幾何關係大概如下圖：

第三，潮汐撕裂事件（tidal disruption events，TDE），也會造成短期AGN，一個可憐的小胖星（胖了容易被撕裂）離黑洞太近了，然後就被潮汐力給撕裂了。哭。以下NASA圖解TDE。

（2）超重雙黑洞（supermassive black hole binaries）
洞如其名，是上文提到的超重黑洞，但是有兩個。這類雙黑洞的存在猜想起源於Begelman, Blandford, Rees 1980。推論過程大概是：既然每個星系都有個超重黑洞在中間，我們又經常看到星系合併，那每次合併，兩個星系中間的黑洞就（通過動摩擦力，dynamical friction）掉到新的大星系中間去，變成雙黑洞了。可是稍微算一下，你會發現這兩個黑洞的環繞軌道縮短到大概1 parsec（秒差距，pc）後，就沒有辦法再縮短了，這，便是大名鼎鼎的「最終秒差距問題」（The Final Parsec Problem）。理論上許多人嘗試在解決這個問題——比如用很多塵埃、或者讓更多恆星進來帶走能量。

觀測上，大家覺得，那不就是說，到處都是距離1 pc的雙黑洞咯？找了很多年，方法包括周期性的光變曲線（periodicity in light curves），形狀奇怪的寬線區（perculiar broad emission lines），還有放射線強度比例（H-beta, MgII, CVI emission line ratios）。一些人說找到了：比如Graham++2015，Li++2016（國台＋北大），但是讓業界全體信服還需時間數據。強調一點，這裡找的雙黑洞是距離非常近的快要到引力波範圍的。距離遠的（~kpc）已經找到不少了（那類一般不叫black hole binary，而是叫dual black holes）如下圖，因為分的比較開所以好找。

超重雙黑洞的合併也可以產生引力波，但LIGO的波段測不到超重雙黑洞，所以那要等到2034年以後，歐洲的eLISA（如下圖，來源wikipedia）飛上天再說。脈衝星計時陣（Pulsar Timing Array）也可以觀測到，但是暫時還在找夠脈衝星的階段，暫時沒成果。

（3）中級質量黑洞（intermediate mass black holes）：100－10^6 M☉
中級黑洞。。答主對他們比較無知。。不知道要說什麼。。。他們就是，不是很大，也不是很小。。。一個恆星造不出來，所以要兩個恆星（或黑洞）撞擊合併而成。目前沒有任何探測（有一些探測但是還沒有完全肯定）。

（4）恆星級黑洞（stellar mass black holes）
同學們都知道它們的存在——大於25M☉的恆星死了就都是這樣的黑洞。被研究的恆星級黑洞大都是雙星其中的一枚，它和AGN一樣也會有吸盤，然後把圍繞它的可憐恆星的血一滴滴榨乾（如下圖）。研究它們也是為了了解吸盤和噴流的機制，和超重黑洞有異曲同工之處。

2016/5/5增補：恆星級黑洞的研究也有助於了解超新星爆炸的機制。目前在觀測中有一個空白——恆星爆炸後，形成的中子星，最重是2太陽質量PSR J1614-2230（感謝 @gyroscope@凌晨曉驥糾正，之前寫的是1.4），而觀測到的最輕的黑洞，只有約4太陽質量。那麼從2-4太陽質量之間，究竟是怎麼回事呢？恆星爆炸前的質量，以及之後黑洞的質量之間，又有什麼聯繫？

（5）原初黑洞（Primordial black holes）
怎麼說呢，做這個的人幾乎都是閑來無事、或者喝大了做著玩兒的，自己都不大相信它們的存在。但是相不相信是一回事，有沒有可能又是另外一回事了。原初黑洞尚未被證偽，所以做做玩，有益開腦洞，而且說不定真存在呢！

霍金最初在70年代提出銀河裡可能有原初黑洞，這些黑洞是在宇宙大爆炸物質密度極高時形成的，可以通過霍金輻射來觀測到。後來另外一些人開始想，原初黑洞可以是任意大小，又看不到，那不就是完美的暗物質嘛。

不過最小的原初黑洞（存在的話）應該已經霍金輻射毀掉了，打叉叉。其次1-30M☉的也被微引力透鏡的觀測給排除了（http://arxiv.org/abs/astro-ph/0011506）。大過100M☉的又被排除了，因為它們存在的話就會打亂寬軌雙星（wide binary）的軌跡（http://arxiv.org/abs/1406.5169）。所以就剩下30-100M☉的原初黑洞有可能存在了。。。

而LIGO探測到的黑洞大概就是30M☉。。。然後就有人YY了：

（注意paper最後一個人）。

黑洞是計算相對論(numerical relativity)的熱門話題，尤其是雙黑洞的合併。LIGO小組能根據探測到的引力波信號確定來自雙黑洞，並確定雙黑洞的質量，自旋，軌道等參數也是得益於計算相對論的發展。

近幾年計算相對論在黑洞合併取得的成果有，證實了黑洞合併事件是強引力波源。早期只能模擬最簡單的迎面碰撞的雙黑洞，結果是只有0.2%的質量變成引力波釋放出來。這個一方面數值太小，難以探測，另一方面對更普遍的互相繞轉的黑洞無法解釋。後來人們通過模擬旋轉黑洞的合併，發現最多可以有約10%的質量轉化成引力波。而這兩次引力波事件各有約5%的質量以引力波的形式釋放出來，這也初步證實了計算結果。

還有一個重要預測就是，雙黑洞合併時，由於引力波輻射的不對稱性，新黑洞可能獲得極大的反衝速度，這種現象叫black hole recoil。計算機模擬的反衝速度最高可達5000km/s，足以逃脫星系的引力，變成流浪黑洞。這是廣義相對論一個精彩的預測，它證實了引力波不僅可以攜帶能量，角動量，也可以攜帶動量。目前天文學家在積極尋找這樣的候選天體。

如果你對numerical relativity感興趣，你可以看看這個網站https://www.black-holes.org/

天體物理里的黑洞和廣義相對論里的黑洞是有所區別的。上面提到的研究方向都屬於天體物理的範疇。我說幾個其他領域中黑洞的研究課題。

1. 信息悖論以及它帶出的一系列問題：AdS/CFT, 全息原理，火牆模型，ER＝EPR，量子引力等。
圈內大牛Steven Giddings上個月的腦洞：引力波實驗能探測到黑洞的量子效應嗎？
http://arxiv.org/abs/1602.03622

2. LHC的量子黑洞。檢驗TeV尺度的額外維存不存在。

3. 模擬黑洞。大意就是用超音速流體模擬出一個類似有「聲學視界」的物體系統(dumb hole)，看有沒有對應的霍金輻射。現在好像已經不僅限於dumb hole, 有各種奇怪的物理系統。這個領域是Bill Unruh開創的，他的第一篇論文
Phys. Rev. Lett. 46, 1351 (1981)

觀測上面，高能方面有活動星系核（AGN）的觀測，目前為止大體上還是處於一種建立database的階段；還有x-ray binary的研究，不過這方面的研究基本是單純把黑洞當成compact object，相對較少有研究會嘗試辨認它們是脈衝星還是黑洞之類的，研究內容上和accretion disk，MHD之類的更有關係，個人感覺和黑洞本身性質關係不大，不過x-ray binaries是引力波潛在源的一種，大概等LIGO做出結果來會有跟進研究？宇宙學方面有尋找原初黑洞的研究，不知道最近怎麼樣了。我所了解的就這些。
理論方向奇葩多。。。什麼AdS/CFT都能扯上關係，whatever....

黑洞吸積盤方向沒前途

從理論上來說，黑洞是個很重要的東西。在黑洞這裡，廣義相對論和量子場論你不能忽略其中一種，所以很多人認為，黑洞是研究量子引力理論的playground。

我知道的最大的問題，就是現在還沒看到黑洞。

也就是黑洞的證據都是間接的。
什麼是直接的？當望遠鏡的解析度到達黑洞史瓦西半徑的時候，就算直接證據了。

關於宇宙「黑洞」的新學說——「磁場旋渦說」：

「黑洞」是宇宙天體運動時產生的各種「磁場旋渦」現象，目前人們關注的「黑洞」主要有兩類：

一是恆星級「黑洞」：恆星級「黑洞」是由氣體塵埃構成，它的「黑」特徵是因為它的構成物質密度非常稀薄，反射可見光線的效果非常微弱，而可見光線被星際物質吸收，所以我們肉眼看不見罷了，當恆星級「黑洞」的構成物質密度達到一定程度時，便發展成為可以通過光學望遠鏡直接觀察到的原始星球——瀰漫星雲。

二是星系級「黑洞」：星系級「黑洞」主要由星球等天體構成，於是我們能在可見光線範圍看到星系旋渦狀的完整形態，只是無法看見星系中心物質密度極其稀薄的區域——星系級「黑洞」。

當然，宇宙中還有更大的「黑洞」，如星系團級「黑洞」、超星系團級「黑洞」……。「黑洞」的強大引力和高能輻射均來源於磁場，按其形態和性質來說，它倒真是一個名副其實的「黑暗磁場旋渦空洞」。

黑洞吸積盤是X-ray Astrophysics的研究內容. 黑洞周圍的物質被吸到黑洞里的過程中會釋放X-ray. 我們通過研究X-ray來研究黑洞及吸積盤的性質. 黑洞吸積盤的viscosity是研究其性質過程中的一大難題. 中子星吸積盤系統也有類似的問題，不同的是中子星會爆發X-ray.

比起這個我更好奇的是，黑洞被證明存在了嗎？還僅僅是理論上推斷的就出現這麼多研究方向？？？求科普

為啥沒人說霍金輻射？灌水多也不能否認它的地位啊

我就想知道有黑洞嗎，好像從來沒聽過有確鑿證據證明這東西存在，看似科學，別被這種幻想物誆了