宇宙花园中缺失形成黑洞的“种子” 

这位画家的概念图描绘了在一个年轻的恒星丰富的星系中心产生了一个最原始的超大质量的黑洞（中心黑点）的画面。

（图片来源：NASA/JPL-Caltech）

在浩瀚的宇宙花园中，其中最重的黑洞也是从小小的种子长大而成。通过吞噬气体星尘而得到滋养或是和其他致密物体的融合，这些种子在体积和质量上不断增长直到形成星系的中心，比如我们生存的银河系。但与真实的植物不同，这些巨大黑洞的种子也是黑洞。但至今没有人发现这些种子。

有一种观点是认为相当于数十万或数十亿太阳质量的超大黑洞是由一个从未被发现的小黑洞成长起来的。在“中等质量黑洞”这个难以捉摸的群体中，每个黑洞的质量大约相当于100到10000的太阳质量之和。在迄今发现的数百个黑洞中，有大量的相对较小的黑洞，但无法确定它们在这中等质量的“沙漠”中。

科学家正于NASA和其他观测站合作使用强大的太空望远镜追踪符合这些描述的远距离的奇异天体。他们已经找到了几十个可能的天体对象，并在努力确认他们就是黑洞。但即便如此，这也引出了一个新的问题，这些中等质量的黑洞是如何形成的。

由喷气推进实验室管理的美国宇航局核分光望远镜阵列（NuSTAR）项目中的首席研究员，加州理工学院（Caltech）的物理学教授Fiona Harrison说：“中等质量黑洞如此令人着迷且人类甘愿耗费大把时间寻找它的原因在于它揭示了早期宇宙的发展过程，从它身上我们有可能了解到宇宙初期的黑洞群或者刷新我们对黑洞形成机制的认知。”

黑洞101

黑洞是宇宙中密度极高的物体，任何光线都无法从中逃逸出来。当物质落入黑洞中，它无路可逃。而且黑洞吞噬的物质越多，它的质量和体积就越大。

最小的黑洞被称为“恒星质量”，其质量大约在1到100倍的太阳质量。他们从恒星剧烈爆炸的过程中形成，这一过程也被称为超新星。

另一方面，超大质量的黑洞在大星系中起着锚定的作用，比如说，我们的太阳和所有在银河系中的恒星都绕着一个称为射手座A*（Sagittarius A*）的大约410万个太阳质量的黑洞旋转。一个更加庞大的黑洞，其质量大约是65亿个太阳的质量，作为梅西耶87（M87）星系的核心。M87的超大质量黑洞出现在著名的“事件视界望远镜（EHT）”图像中，首次展现出黑洞及其“阴影”。阴影是由事件视界造成的，黑洞的不可逆转点，凭借其强大的引力弯曲并捕捉光线。

超大质量黑洞的周围往往有一种叫做“吸积盘”盘状物质，这种盘状物质由极热的高能粒子构成。当它们越靠近事件视界，也就是黑洞的无法返回的区域时，吸积盘就会愈发明亮。由于黑洞吞噬了更多物质而使吸积盘更加明亮的这种现象被称作“活跃星系核”。

创造黑洞所需的物质密度令人难以想象。要制造一个50倍太阳质量的黑洞，你必须把相当于50个太阳的东西装进一个不到200英里（300公里）的球里。但就M87的中心而言，65亿个太阳被压缩成一个比冥王星轨道更宽的球。在这两种情况下，由于物质密度都是那么的高，那么原始材料必须坍缩成一个奇异点——时空结构中一个的撕裂。

黑洞起源之谜的关键在于对黑洞增长速度的物理限制。即使是对于星系中心的巨型黑洞，它们也不是无止境地疯狂吞噬，因为一定数量的物质将被因靠近事件视界而加速的高温粒子所散发的高能辐射推回去。举例来说，只吞噬掉周围的物质的话，那么一个低质量黑洞在3000万年内可能只能使其质量翻倍。

马萨诸塞州剑桥史密森天体物理天文台与莫斯科国立大学的天体物理学家Igor Chilingarian说：“如果你从50个太阳质量开始时，你就不可能在10亿年内将它扩展到10亿个太阳质量。”但是，正如我们所知，在宇宙形成之后不到10亿年时，宇宙中就存在着超大质量黑洞。

如何创造一个你看不到的黑洞

在宇宙的早期，中等质量大小的黑洞“种子”可能从庞大的稠密气体云的坍塌或是超新星的爆炸中形成的。在我们宇宙中最早爆炸的恒星的外层有纯净的氢和氦，重元素聚集在核心。这是一个制造更大的黑洞的配方，而不是爆裂的“新式”恒星，由于这些恒星在外层中融入了重元素，所以更多的是通过恒星风来失去更多的质量。

美国宇航局马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心（NASA's Goddard Space Flight Center）的天体物理学家Tod Strohmayer说：“如果我们在宇宙早期形成了相当于100个太阳质量的黑洞，那么其中有一些应该会融合在一起，但你基本上能产生一个完整的质量范围，然后其它的一些仍然应该存在在附近。”那么，如果它们真的形成了，它们在哪里呢？”

科学家在美国国家科学基金会的激光干涉仪引力波观测台（LIGO）以及加州理工学院和麻省理工学院之间的合作研究项目中得到了一个线索：中等质量黑洞仍可能存在。LIGO探测器与意大利的一个名为VirGO的欧洲科学设施合作，通过探测许多不同的黑洞合并所产生的被称为引力波的时空涟漪，来寻找中等质量黑洞。

这张由欧洲南部天文台的超大望远镜拍摄的照片显示了星系NGC1313的中心区域。这个星系是超亮X射线源NCG1313X-1的所在地，天文学家现在已经将它认定为一个中等质量黑洞的候选者。NGC1313的宽度为50000光年，与南部网状星座的银河系相距约1400万光年。 （图片来源：ESO）

2016，LIGO宣布了上半个世纪最重要的科学发现之一：第一次探测到引力波。具体而言，基于Livingston、Louisiana和Hanford, Washington的探测器采集了两个黑洞融合的信号。这些黑洞的质量是太阳质量的29倍和36倍，这令科学家们感到惊奇。虽然这些从理论上来说还不算中等质量黑洞，但它们足够大到引起我们的注意。

所以是有可能所有的中等质量黑洞都已经融合，但也可能是我们的科技还不足以定位到它们的位置。

所以它们在哪里？

因为黑洞本身并不发光，所以在中等大小的荒原中寻找黑洞是棘手的。但是科学家可以使用精密的望远镜和其他仪器来寻找特别的信号。例如，物质流动到黑洞的速率不是一致的，集中性吞噬物质会导致周围环境的光输出的某些变化。这种变化在较小的黑洞身上是比较明显的。

Chilingarian说：“在以一个小时为时间尺度上，你需要几个月时间对经典的活动星系的核心观测运动。”

最有希望的中等质量黑洞候选者被称为HLX-1，其质量约为太阳的20000倍。HLX-1代表“超亮X射线源1”，其能量输出远高于类日恒星。澳大利亚天文学家Sean Farrell在2009使用欧洲空间局（European Space Agency）的XMM-牛顿X射线太空望远镜发现了它。2012年，美国国家航空航天局的哈勃太空望远镜和斯威夫特太空望远镜进行的一项研究发现，围绕这个天体运行的是一群年轻的蓝恒星。它可能曾经是一个被ESO243-49的大星系吞噬的矮星系的中心。哈里森说，许多科学家认为HLX-1是一个已被证实的中等质量黑洞。

Harrison说：“它发出的X射线的颜色，以及它的运动方式，与黑洞非常相似。”很多人，包括我的小组，都程序性地寻找看起来像HLX-1的东西，但到目前为止，没有一个是与之相一致的。但寻找仍在继续。”

可能被确认为中等质量黑洞的不太明亮的物体被统称为超亮X射线源（ULX或ULXs）。编号NGC5408X-1的闪烁ULX对于寻找中等质量黑洞的科学家来说特别有趣。但是NASA的NuSTAR和钱德拉X射线天文台（Chandra X-ray Observatory）揭露了许多ULX天体的真面目：它们并非之前设想的潜在黑洞。相反，它们是脉冲星，有着非常密集的恒星残骸，看起来像灯塔一样释放脉冲。这一发现着实震惊了对ULX抱有期待的科学家们。

M82 X-1是银河系M82中超量X射线源，也是另一个非常明亮的物体，它似乎与中等质量黑洞相一致的时间尺度上闪烁。这些亮度变化与黑洞的质量有关，而且是由吸积盘内部附近的轨道物质引起的。2014年的一项研究着眼于X射线光的特定变化，并估计M82 X-1的质量约为400太阳质量。科学家们利用美国宇航局的罗西X射线计时探测器（Rossi X-ray Timing Explorer，RXTE）卫星的档案数据来研究这些X射线亮度的变化。

最近，科学家们研究了更大一组可能是中等质量黑洞的天体。2018年，Chilingarian和同事通过重新分析斯隆数字巡天（Sloan Digital Sky Survey）的光学数据并将初步预测与钱德拉X射线天文台和XMM-牛顿X射线太空望远镜的X射线数据相匹配后，描述了10个候选星体的样本。他们现在正在智利和亚利桑那州使用地面望远镜进行跟踪。西班牙空间科学研究所（Spain's Institute for Space Sciences）的Mar Mezcua在2018年领导了一项独立的研究，也使用钱德拉X射线天文台的数据，发现了40个成长在矮星系中的黑洞，它们的质量可能在这个特殊的中间质量范围内。但Mezcua和合作者认为，这些黑洞最初是在巨大星云的崩塌中形成的，而不是从恒星爆炸中形成的。

下一步呢？

矮星系是一个让人流连的地方，因为在理论上，较小的恒星系统可以容纳下质量更小的黑洞，相较于我们这样的大星系的中心的黑洞。

出于相同的原因，科学家们也在寻找位于银河系边缘的抱团球状星团和其他星系的球状星团。

Strohmayer说：“在这样的星系中也可能有黑洞，但是如果它们不吸收很多物质的话，那么我们很难能看到它们。”

这些中等质量黑洞猎人急切地等待着NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）的发射，它将带回星系诞生之初的第一缕曙光。韦伯太空望远镜将帮助天文学家找出究竟是星系还是它的中心黑洞先出现，以及这个黑洞可能是如何融合在一起的。通过结合X射线观测，韦伯太空望远镜的红外数据将对我们认定一些最古老的黑洞候选者是十分重要。

俄罗斯联邦航天局（Roscosmos）在7月份发射的另一种探测装备被称为光谱X-Gamma，它是一种用X射线扫描宇宙的航天器，它携带着一款由美国宇航局马歇尔航天飞行中心（NASA Marshall Space Flight Center）在阿拉巴马州亨茨维尔（Huntsville, Alabama）开发并制造的反光镜仪器。另外， LIGO-Virgo合作的引力波信息以及欧洲航天局计划的激光干涉空间天线（Laser Interferometer Space Antenna）任务都将有助于这项搜索任务。

除了目前的仪器和技术以外，这些新的仪器和技术将帮助天文学家继续在宇宙的大花园中搜寻产生黑洞的种子，以及像我们这样的星系。

作者：Elizabeth Landau

翻译：王麟涛

审校：罗广桢

引进来源：NASA