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(zhǎng)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(zhǎng)，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，但至今沒有人發(fā)現(xiàn)這些“種子”黑洞。

　　有一種觀點(diǎn)是認(rèn)為，相當(dāng)于數(shù)十萬(wàn)至數(shù)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(xiàn)的“中等質(zhì)量黑洞”成長(zhǎng)而來(lái)的。這些中等質(zhì)量的黑洞大約相當(dāng)于 100~10000 個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量之和。

　　NASA 和其他天文臺(tái)的科學(xué)家，正在合作使用強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡追蹤符合這個(gè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的奇異天體。他們已經(jīng)找到了幾十個(gè)可能的目標(biāo)天體，并在努力確認(rèn)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(yuǎn)鏡陣列(NuSTAR)項(xiàng)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迷。而人類甘愿耗費(fèi)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(duì)黑洞形成機(jī)制的認(rèn)知。”

　　黑洞起源之謎

　　黑洞是宇宙中密度極高的物體，任何光線都無(wú)法從中逃逸出來(lái)。當(dāng)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)程也稱為超新星爆發(fā)。

　　超大質(zhì)量的黑洞在大星系中起著錨定的作用，例如，太陽(yáng)和所有銀河系中的恒星都繞著一個(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(zhuǎn)。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(yuǎn)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(xiàn)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)量黑洞的周圍往往有一種叫做“吸積盤”的盤狀物質(zhì)，這種盤狀物質(zhì)由極高溫的高能粒子構(gòu)成。當(dāng)它們?cè)娇拷录暯纾?ldquo;吸積盤”就會(huì)愈發(fā)明亮，這個(gè)現(xiàn)象也被稱作“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(dāng)于 50 個(gè)太陽(yáng)的東西裝進(jìn)一個(gè)不到 300 千米的球內(nèi)。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(dǎo)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(zhǎng)速度存在物理限制。即使對(duì)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?yàn)橐欢〝?shù)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)，只吞噬掉周圍物質(zhì)的話，那么一個(gè)低質(zhì)量的黑洞在 3000 萬(wàn)年內(nèi)，其質(zhì)量可能只會(huì)翻倍。

　　劍橋史密森天體物理天文臺(tái)與莫斯科國(guó)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)量開始生長(zhǎng)，不可能在 10 億年內(nèi)擴(kuò)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(dá)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(dāng)于 100 個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，有一些應(yīng)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(yīng)該還在這個(gè)中等質(zhì)量黑洞的范圍內(nèi)。如果它們真的形成了，那它們?cè)谀睦锬?”

　　科學(xué)家在激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)、加州理工學(xué)院和麻省理工學(xué)院的合作研究項(xiàng)目中，得到了一個(gè)線索：中等質(zhì)量黑洞仍可能存在。LIGO 探測(cè)器與意大利的 VirGO 探測(cè)器合作，通過(guò)探測(cè)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(tái)的超大望遠(yuǎn)鏡拍攝的照片顯示了星系 NGC1313 的中心區(qū)域。

　　2016 年，LIGO 宣布了上半個(gè)世紀(jì)最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一：基于多個(gè)探測(cè)器采集的兩個(gè)黑洞融合的信號(hào)，人類第一次探測(cè)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?cè)谀睦?

　　因?yàn)楹诙幢旧聿⒉话l(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(yuǎn)鏡和其他儀器來(lái)尋找特別的信號(hào)。例如，物質(zhì)流動(dòng)進(jìn)入黑洞的速率不是一致的。而對(duì)物質(zhì)集中性的吞噬，會(huì)導(dǎo)致其周圍環(huán)境的光線輸出發(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)量黑洞候選者被稱為 HLX-1(Hyper-Luminous X-ray Source 1，超亮X射線源1)，其質(zhì)量約為太陽(yáng)的 20000 倍，其能量輸出遠(yuǎn)高于類日恒星。2009 年，澳大利亞天文學(xué)家 Sean Farrell 使用 XMM-牛頓X射線太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了它。2012 年，NASA 的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和斯威夫特太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，圍繞這個(gè)天體運(yùn)行的是一群年輕的藍(lán)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(rèn)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射線的顏色以及它的運(yùn)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(tǒng)稱為超亮X射線源(ULX)。但是，NASA 的核分光望遠(yuǎn)鏡陣列(NuSTAR)和錢德拉X射線天文臺(tái)揭露了許多 ULX 天體的真面目：它們并非是之前設(shè)想的潛在黑洞。相反，它們是脈沖星，有著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(xiàn)著實(shí)震驚了對(duì) 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(shù)字巡天(SDSS)的光學(xué)數(shù)據(jù)，并將預(yù)測(cè)的結(jié)果與錢德拉X射線天文臺(tái)和 XMM-牛頓X射線太空望遠(yuǎn)鏡的X射線數(shù)據(jù)初步匹配后，描述了10 個(gè)候選星體的樣本。

　　他們現(xiàn)在正在智利和亞利桑那州使用地面望遠(yuǎn)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(dǎo)了一項(xiàng)獨(dú)立的研究，也使用錢德拉X射線天文臺(tái)的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了 40 個(gè)在矮星系中成長(zhǎng)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(nèi)。但 Mezcua 和合作者認(rèn)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(tǒng)(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(tuán)球狀星團(tuán)和其他星系的球狀星團(tuán)。

　　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，我們很難能看到它們。”這些中等質(zhì)量黑洞急切地等待著詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)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(yuǎn)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(xiàn)，以及黑洞可能是如何融合在一起的。通過(guò)結(jié)合X射線觀測(cè)，韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的紅外數(shù)據(jù)對(duì)我們認(rèn)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(cè)裝備被稱為光譜X-Gamma，它是一種用X射線掃描宇宙的航天器，攜帶著一款由 NASA 馬歇爾航天飛行中心(NASA-MSFC)開發(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(jì)劃的激光干涉空間天線(LISA)任務(wù)都將有助于這項(xiàng)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(xù)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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