宇宙学中的某些事物可能只是不可知的。为什么存在事物而不是空无？宇宙之外有什么？黑洞内部有什么？过去一个多世纪以来，这些问题一直困扰着天体物理学家，但他们可能最终即将解决其中一项。
传统答案是黑洞内部是奇点：一个无限小，密度无限大的点。如果奇点是真实存在的，那可能告诉我们一些重要的信息——不仅关于黑洞，还关于我们对广义上的物理理解。但是，即使是光也无法逃离黑洞，因此长期以来一直认为不可能确定这些看似不可能存在的点是否真的存在，或者是否有一些未知的物理原因阻止它们形成。但如果没有奇点，那么黑洞真的是黑洞吗？
一批新的天文学家目前正在同时发展可以帮助弄清楚这一切究竟的理论和工具。
“我们进入了一个新时代。这门学科已经从一门纯粹的数学学科转变为一个理论和实验之间有深厚联系的领域。感觉这是一个金色时代，”田纳西州范德堡大学的黑洞研究员亚历克桑杜·卢普萨斯（Alexandru Lupsasca）说。
这个新时代是由寻找超越广义相对论的理论而引发的，而广义相对论是我们当前对引力的最佳描述。1915年，阿尔伯特·爱因斯坦在其中推导了广义相对论的场方程，描述了空间时间连续体——宇宙的看不见的“织物”——如何根据其中包含的质量或能量量而扩张、扭曲和扭曲。
爱因斯坦刚刚发布方程式时，物理学家卡尔·施瓦西尔德（Karl Schwarzschild）便发现了它们的毁灭之种。在第一次世界大战期间，施瓦西尔德使用爱因斯坦的方程式找到了一个现在被称为施瓦西尔德半径的数字。
本质上，这告诉我们一个天体什么时候会因其质量而成为黑洞。只要天体的大小大于施瓦西尔德半径，它就会像正常情况下继续存在。但是，如果它变小，那么它所产生的引力将变得异常强大，使得宇宙中任何东西都无法抵抗。施瓦西尔德半径内的物质——现在定义了一个称为事件视界的球形边界——无阻碍地坍缩形成奇点。
这给我们提供了黑洞的传统结构：一个由事件视界包围的奇点。一旦穿过事件视界，你就永远失去在宇宙中的位置，因为黑洞引力的吸引力是无法抗拒的。
寻找奇点
但对物理学家来说，奇点会出现问题——它们在物理上不应该存在。“奇点是不合常理的。奇点的产生只是方程式在表明 ’嘿，我们不知道发生了什么，我们需要用一个更深入的理论来取代它，‘”。卢普萨斯如此说。
困境在于，现在有无数证据表明黑洞确实存在。天文学家遍地都是：在星系的中心，恒星爆炸后以及由于激光干涉引力波观测台（LIGO）的工作，宇宙震动的方式。
LIGO于2016年宣布首次直接探测到宇宙中的微妙波动，称为引力波。这些是广义相对论的主要预测，并且最有可能由两个黑洞碰撞产生。几年后，2019年，事件视界望远镜（EHT）合作组织发布了有史以来第一幅黑洞图像。突然之间，天文学界开始意识到，黑洞不再只是理论家的专属范围。
“确实，更好的观测数据的存在使人们对黑洞思考更多。只要拥有更多数据，你基本上可以更深入地研究这些物体，”在意大利国际高级研究院工作的劳尔·卡巴洛-卢比奥（Raúl Carballo-Rubio）说。他一直在研究这些新的观测技术是如何最终帮助我们回答黑洞内部究竟有什么。
只是因为黑洞似乎确实存在，并不意味着奇点必须也是真实存在的。事实上，天体物理学家普遍认为奇点并不真实存在，它们出现在方程式中只是告诉我们在哪里寻找新的物理。卡巴洛-卢比奥说：“我们有牛顿，我们有爱因斯坦，然后是爱因斯坦理论以外的现实的下一层。奇点告诉我们应该去哪里找。”
为了解锁这一层次，物理学家提出了新的阻止奇点形成的物理过程。理论家称之为黑洞规范化，并（或许会令人困惑地）将他们以这种方式精心制造的无奇点黑洞称为“规范”黑洞。
最常见的方法涉及一种假设的新自然力量，该力量会对抗引力，并且随着物质密度的增加而增强。它将在黑洞内部的极端密度中变得强大到足以使仅在黑洞内部发现。但同样，这种力量只会在黑洞内部产生至极高的密度时才会表现出来，这就解释了为什么我们在整个宇宙中尚未观测到它。在黑洞内部，这种力量会产生一个由极度——但不是无限——密集物质组成的核心。
这可能听起来相对简单，但正如卡巴洛-卢比奥所说，实际上证明这种力量的存在又是另一回事。要搞清楚这一点，天文学家必须找到黑洞本身以外的某种观测特征。“当你规范化一个黑洞时，这可能会改变它的引力场。因此，你将预期有一些小的效应显示在黑洞外部，”卡巴洛-卢比奥说。
例如，黑洞可能会以不同的方式自旋，或者它可能以意想不到的方式扭曲其外部的时空。这些潜在影响自上世纪70年代以来就被广泛认识，物理学家詹姆斯·巴登研究过在黑洞内部是否有一些可验证存在的迹象。但是没有必要的技术来进行这些观测，这些想法便一直被搁置。现在，技术终于赶上了巴登半个世纪前的工作，他的思想被重新唤起。
现在得到新生命的一个特别有前途的观念是巴登计算光子通过黑洞时会采取的路径，在不同距离下。大多数光子会直射黑洞，被其引力抛射出去。最靠近黑洞的光子会被捕获并掉入事件视界内。
在这两种可能性之间，他确定了事件视界附近的一个关键区域，光子可以在黑洞周围暂时围绕轨道，然后再返回宇宙。这意味着黑洞周围始终会被一圈由这些逃离的光子组成的明亮环包围。
它们是宇宙中最幸运的光子，因为它们是最接近黑洞，而不被永远丢弃。根据广义相对论，任何偏离光子环预期形状和大小的情况都可能是事件视界内新物理的证据。
对2019年黑洞图像的事件视界望远镜（EHT）的分析揭示，黑洞周围的光是由一方面是光辉的物质坠入黑洞消失，另一方面是来自光子环的光构成。但为了找到任何可以证明广义相对论之外的痕迹，这两种光源都必须相互分开。尽管目前正在进行对EHT的升级以提高其灵敏度，但要真正分离光子环与流入物质还需要更大的望远镜。这是个难题，因为EHT已经整合了分布在地球各地的射电望远镜的数据，实际上使其成为一个地球大小的望远镜。
这就是一个提议的新任务的意义所在。黑洞探索者（BHEX）将把EHT扩展到太空中。如果明年NASA提供资金支持，计划在2031年发射。该任务将捕获的光量并不是最重要的，而是它与地面观测站之间的距离，它将提供调整图像所需的关键信息。
距离地球20,000公里，EHT将产生有史以来最详细的黑洞图像——或者说对任何宇宙中的事物来说。哈佛大学的迈克尔·约翰逊说：“突然间，你将能够清晰地看到光子环。”他是该任务提出方案的科学协作小组成员。
黑洞周围的光可能揭示它们的秘密，但黑洞的黑暗也可能如此。如果有新的物理学需求，它也可能反映在黑洞的影子大小上，由极端时空扭曲引起的黑暗圆圈。任何新的物理学都可能导致影子的大小与广义相对论预期不符，但问题是许多影响都是极其微妙的。“现在真正的问题是理解你的观测需要多好，才能够区分这些不同，”卡巴洛-卢比奥说。
2022年，南非夸祖鲁纳塔尔大学的拉胡尔·库马尔·瓦利亚及其同事利用EHT的测量结果测试了四种不同的“规范”黑洞提议。他们研究了银河系中心的超大质量黑洞Sagittarius A*的观测，并用这些数据计算了这四种“规范”黑洞时空下黑洞影子的预期大小。在大多数情况下，他们发现预测结果都在相差不到10%的范围内，远远低于当前观测的区分能力。他们只排除了四种提议中的一种，但也许BHEX和下一代黑洞观测站可以做得更好。总而言之，尽管我们已经能够开始寻找规范黑洞，但可能需要等待更多时间，直到我们有观测规范黑洞的能力。
黑洞冒名顶替者
然而，还有另一种方法可以消除与更明显的观测效果相关的奇点。 这种方法是激进的：如果根本没有黑洞存在怎么样？如果我们多年来被看起来像黑洞的东西欺骗了呢？
这些对象将比规则黑洞还要奇异。它们不仅会消除奇点，还会消除事件视界。换句话说，它们不会是黑洞；它们只会在远处模仿黑洞的外观。近距离观察，黑洞冒名顶替者不会有视界，而是一个表面。
这些实体的最受欢迎的可能性可能是重力空心星。 它们最早是2001年由南卡罗来纳大学的Pawel Mazur和新墨西哥大学的Emil Mottola首次提出的。重力空心星是一种空间区域，其中充满了与暗能量类似的排斥能量的浓度，它在大尺度上被假设负责加速宇宙膨胀。 重力空心星因此是由一层普通物质的超高密度壳包围的能量泡。
黑洞冒名顶替者是理论家的梦想，因为他们仅需要数学知识和活跃的想象力就能想象出来。毫不奇怪地，并提出了许多想法。这些包括：玻色星，可能是由被称为轴子的假设粒子形成的凝聚体；雾团，源自弦论，可能是由原子弦的纠缠球组成；以及弱电星，这些星由普通物质组成，但由于可以通过电磁相互作用及弱核力的假设粒子之间的组合来防止其坍缩成
