在一個(gè)年輕的恒星豐富的星系中心產(chǎn)生了一個(gè)最原始的超大質(zhì)量的黑洞(中心黑點(diǎn))的概念圖。

　　在浩瀚的宇宙花園中，其中最重的黑洞也是從小小的“種子”長(cháng)大而成。通過(guò)吞噬氣體星塵或和其他致密物體的融合，這些種子黑洞在體積和質(zhì)量上不斷增長(cháng)，直到形成星系的中心，就比如我們生存的銀河系。但與真實(shí)的植物不同，這些巨大黑洞的種子也是黑洞，但至今沒(méi)有人發(fā)現這些“種子”黑洞。

　　有一種觀(guān)點(diǎn)是認為，相當于數十萬(wàn)至數十億太陽(yáng)質(zhì)量的超大黑洞，是由一個(gè)個(gè)從未被發(fā)現的“中等質(zhì)量黑洞”成長(cháng)而來(lái)的。這些中等質(zhì)量的黑洞大約相當于 100~10000 個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量之和。

　　NASA 和其他天文臺的科學(xué)家，正在合作使用強大的望遠鏡追蹤符合這個(gè)質(zhì)量標準的奇異天體。他們已經(jīng)找到了幾十個(gè)可能的目標天體，并在努力確認它們是否為黑洞。但這也引出了一個(gè)新的問(wèn)題，這些中等質(zhì)量的黑洞是如何形成的?

　　NASA 核分光望遠鏡陣列(NuSTAR)項目中的首席研究員，加州理工學(xué)院的物理學(xué)教授 Fiona Harrison 說(shuō)：“中等質(zhì)量的黑洞如此令人著(zhù)迷。而人類(lèi)甘愿耗費大量時(shí)間尋找它的原因在于，它能揭示早期宇宙的發(fā)展過(guò)程。從它身上，我們有可能了解到宇宙初期的黑洞群，或者刷新對黑洞形成機制的認知。”

　　黑洞起源之謎

　　黑洞是宇宙中密度極高的物體，任何光線(xiàn)都無(wú)法從中逃逸出來(lái)。當物質(zhì)落入黑洞中，便無(wú)路可逃。而且黑洞吞噬的物質(zhì)越多，它的質(zhì)量和體積就越大。最小的黑洞的質(zhì)量大約為 1 到 100 倍的太陽(yáng)質(zhì)量，它們通過(guò)恒星劇烈爆炸形成，這一過(guò)程也稱(chēng)為超新星爆發(fā)。

　　超大質(zhì)量的黑洞在大星系中起著(zhù)錨定的作用，例如，太陽(yáng)和所有銀河系中的恒星都繞著(zhù)一個(gè)大約 410 萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞射手座A*(Sagittarius A*)旋轉。而梅西耶 87(M87)星系的核心是一個(gè)更加龐大的、大約有 65 億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。2019 年 4 月 10 日，事件視界望遠鏡(EHT)公布的首張黑洞照片就來(lái)自超大質(zhì)量黑洞 M87，它首次展現了黑洞及其“陰影”。“陰影”是由事件視界造成的——越過(guò)事件視界，物質(zhì)將無(wú)法返回。

　　超大質(zhì)量黑洞的周?chē)幸环N叫做“吸積盤(pán)”的盤(pán)狀物質(zhì)，這種盤(pán)狀物質(zhì)由極高溫的高能粒子構成。當它們越靠近事件視界，“吸積盤(pán)”就會(huì )愈發(fā)明亮，這個(gè)現象也被稱(chēng)作“活躍星系核”。

　　黑洞形成所需的物質(zhì)密度，令人難以想象。要制造一個(gè) 50 倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，你必須把相當于 50 個(gè)太陽(yáng)的東西裝進(jìn)一個(gè)不到 300 千米的球內。但就 M87 的中心而言，需要將 65 億個(gè)太陽(yáng)壓縮成一個(gè)比冥王星軌道稍寬的球。在這兩種情況下，由于物質(zhì)密度都非常高，那么原始材料必須坍縮成一個(gè)能導致時(shí)空撕裂的奇點(diǎn)。

　　黑洞起源之謎的關(guān)鍵在于，黑洞的增長(cháng)速度存在物理限制。即使對于星系中心的巨型黑洞，它們也不會(huì )無(wú)止境地瘋狂吞噬，因為一定數量的物質(zhì)將因靠近事件視界，而被加速的高溫粒子散發(fā)的高能輻射推出去。舉例來(lái)說(shuō)，只吞噬掉周?chē)镔|(zhì)的話(huà)，那么一個(gè)低質(zhì)量的黑洞在 3000 萬(wàn)年內，其質(zhì)量可能只會(huì )翻倍。

　　劍橋史密森天體物理天文臺與莫斯科國立大學(xué)的天體物理學(xué)家 Igor Chilingarian 說(shuō)：“如果黑洞從 50 個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量開(kāi)始生長(cháng)，不可能在 10 億年內擴展到 10 億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。”但正如我們所知，在宇宙形成之后不到 10 億年時(shí)，宇宙中就存在著(zhù)超大質(zhì)量黑洞。

　　如何創(chuàng )造一個(gè)黑洞

　　在宇宙的早期，中等質(zhì)量大小的黑洞“種子”，可能由龐大的稠密氣體云的坍塌或超新星的爆炸形成。宇宙中最早爆炸的恒星的外層是純凈的氫和氦，重元素聚集在核心，這是一個(gè)制造更大黑洞的配方。更大的黑洞并不能由爆裂的“新式”恒星形成，由于這些恒星在外層中融入了重元素，所以在恒星風(fēng)中更容易失去更多的質(zhì)量。

　　NASA 戈達德太空飛行中心的天體物理學(xué)家 Tod Strohmayer 說(shuō)：“如果在宇宙早期就形成了相當于 100 個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，有一些應該會(huì )融合在一起，合成一系列質(zhì)量不同的黑洞。其中一些，應該還在這個(gè)中等質(zhì)量黑洞的范圍內。如果它們真的形成了，那它們在哪里呢?”

　　科學(xué)家在激光干涉引力波天文臺(LIGO)、加州理工學(xué)院和麻省理工學(xué)院的合作研究項目中，得到了一個(gè)線(xiàn)索：中等質(zhì)量黑洞仍可能存在。LIGO 探測器與意大利的 VirGO 探測器合作，通過(guò)探測許多不同的黑洞合并所產(chǎn)生的引力波時(shí)空漣漪，來(lái)尋找中等質(zhì)量黑洞。

這張由歐洲南部天文臺的超大望遠鏡拍攝的照片顯示了星系 NGC1313 的中心區域。

　　2016 年，LIGO 宣布了上半個(gè)世紀最重要的科學(xué)發(fā)現之一：基于多個(gè)探測器采集的兩個(gè)黑洞融合的信號，人類(lèi)第一次探測到引力波。這令科學(xué)家們感到驚奇，這兩個(gè)黑洞的質(zhì)量分別是太陽(yáng)的 29 倍和 36 倍。雖然從理論上來(lái)說(shuō)，它們還不算中等質(zhì)量的黑洞，但它們足夠大到引起我們的注意。所以，要么是所有的中等質(zhì)量黑洞都已經(jīng)融合，要么是我們的科技還不足以定位到它們的位置。

　　所以它們在哪里?

　　因為黑洞本身并不發(fā)光，所以尋找它們是十分棘手的。但科學(xué)家可以通過(guò)精密的望遠鏡和其他儀器來(lái)尋找特別的信號。例如，物質(zhì)流動(dòng)進(jìn)入黑洞的速率不是一致的。而對物質(zhì)集中性的吞噬，會(huì )導致其周?chē)h(huán)境的光線(xiàn)輸出發(fā)生變化。而這種變化在較小的黑洞身上更為明顯。

　　最有希望的中等質(zhì)量黑洞候選者被稱(chēng)為 HLX-1(Hyper-Luminous X-ray Source 1，超亮X射線(xiàn)源1)，其質(zhì)量約為太陽(yáng)的 20000 倍，其能量輸出遠高于類(lèi)日恒星。2009 年，澳大利亞天文學(xué)家 Sean Farrell 使用 XMM-牛頓X射線(xiàn)太空望遠鏡發(fā)現了它。2012 年，NASA 的哈勃太空望遠鏡和斯威夫特太空望遠鏡發(fā)現，圍繞這個(gè)天體運行的是一群年輕的藍恒星。HLX-1 可能曾經(jīng)是一個(gè)被 ESO243-49 星系吞噬的矮星系的中心。哈里森說(shuō)，許多科學(xué)家認為 HLX-1 是一個(gè)已被證實(shí)的中等質(zhì)量黑洞。

　　Harrison 說(shuō)：“它發(fā)出的X射線(xiàn)的顏色以及它的運動(dòng)方式，都與黑洞非常相似。很多天文學(xué)家包括我的小組，都在尋找看起來(lái)像 HLX-1 的天體，但目前為止，沒(méi)有一個(gè)是與它相一致。”

　　天文學(xué)家將可能是中等質(zhì)量黑洞的天體，統稱(chēng)為超亮X射線(xiàn)源(ULX)。但是，NASA 的核分光望遠鏡陣列(NuSTAR)和錢(qián)德拉X射線(xiàn)天文臺揭露了許多 ULX 天體的真面目：它們并非是之前設想的潛在黑洞。相反，它們是脈沖星，有著(zhù)非常密集的恒星殘骸，看起來(lái)像燈塔一樣釋放脈沖。這一發(fā)現著(zhù)實(shí)震驚了對 ULX 抱有期待的科學(xué)家們。

　　最近，科學(xué)家們研究了一組更有可能是中等質(zhì)量黑洞的天體。2018 年，Chilingarian 和同事通過(guò)重新分析斯隆數字巡天(SDSS)的光學(xué)數據，并將預測的結果與錢(qián)德拉X射線(xiàn)天文臺和 XMM-牛頓X射線(xiàn)太空望遠鏡的X射線(xiàn)數據初步匹配后，描述了10 個(gè)候選星體的樣本。

　　他們現在正在智利和亞利桑那州使用地面望遠鏡進(jìn)行跟蹤。2018 年，西班牙空間科學(xué)研究所的 Mar Mezcua 領(lǐng)導了一項獨立的研究，也使用錢(qián)德拉X射線(xiàn)天文臺的數據，發(fā)現了 40 個(gè)在矮星系中成長(cháng)的黑洞，它們的質(zhì)量可能也在這個(gè)特殊的中間質(zhì)量范圍內。但 Mezcua 和合作者認為，這些黑洞最初是在巨大星云的崩塌中形成的，而不是從恒星爆炸中形成的。

　　下一步呢?

　　在理論上，相較于大星系的中心的黑洞，較小的恒星系統(矮星系)可以容納下質(zhì)量更小的黑洞。因此，科學(xué)家們也在銀河系的邊緣，尋找抱團球狀星團和其他星系的球狀星團。

　　Strohmayer 說(shuō)：“在這樣的星系中也可能有黑洞，但是如果它們不吸收很多物質(zhì)的話(huà)，我們很難能看到它們。”這些中等質(zhì)量黑洞急切地等待著(zhù)詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)的發(fā)射，它將帶回星系誕生之初的第一縷曙光。韋伯太空望遠鏡將幫助天文學(xué)家找出究竟是星系還是它的中心黑洞先出現，以及黑洞可能是如何融合在一起的。通過(guò)結合X射線(xiàn)觀(guān)測，韋伯太空望遠鏡的紅外數據對我們認定一些最古老的黑洞候選者是十分重要。

　　今年 7 月，俄羅斯聯(lián)邦航天局(Roscosmos)在 7 月份發(fā)射的另一種探測裝備被稱(chēng)為光譜X-Gamma，它是一種用X射線(xiàn)掃描宇宙的航天器，攜帶著(zhù)一款由 NASA 馬歇爾航天飛行中心(NASA-MSFC)開(kāi)發(fā)并制造的反光鏡儀器。另外， LIGO-Virgo 合作的引力波信息以及歐洲航天局計劃的激光干涉空間天線(xiàn)(LISA)任務(wù)都將有助于這項搜索任務(wù)。

　　除了目前的儀器和技術(shù)以外，這些新的儀器和技術(shù)將幫助天文學(xué)家繼續在宇宙的大花園中搜尋產(chǎn)生黑洞的種子，以及像我們這樣的星系。
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