這位畫家的概念圖描繪了在一個(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)）的畫面。

（圖片來源：NASA/JPL-Caltech）

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大而成。通過吞噬氣體星塵而得到滋養(yǎng)或是和其他致密物體的融合，這些種子在體積和質(zhì)量上不斷增長直到形成星系的中心，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。

有一種觀點(diǎn)是認(rèn)為相當(dāng)于數(shù)十萬或數(shù)十億太陽質(zhì)量的超大黑洞是由一個(gè)從未被發(fā)現(xiàn)的小黑洞成長起來的。在“中等質(zhì)量黑洞”這個(gè)難以捉摸的群體中，每個(gè)黑洞的質(zhì)量大約相當(dāng)于100到10000的太陽質(zhì)量之和。在迄今發(fā)現(xiàn)的數(shù)百個(gè)黑洞中，有大量的相對較小的黑洞，但無法確定它們在這中等質(zhì)量的“沙漠”中。

科學(xué)家正于NASA和其他觀測站合作使用強(qiáng)大的太空望遠(yuǎn)鏡追蹤符合這些描述的遠(yuǎn)距離的奇異天體。他們已經(jīng)找到了幾十個(gè)可能的天體對象，并在努力確認(rèn)他們就是黑洞。但即便如此，這也引出了一個(gè)新的問題，這些中等質(zhì)量的黑洞是如何形成的。

由噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室管理的美國宇航局核分光望遠(yuǎn)鏡陣列（NuSTAR）項(xiàng)目中的首席研究員，加州理工學(xué)院（Caltech）的物理學(xué)教授Fiona Harrison說：“中等質(zhì)量黑洞如此令人著迷且人類甘愿耗費(fèi)大把時(shí)間尋找它的原因在于它揭示了早期宇宙的發(fā)展過程，從它身上我們有可能了解到宇宙初期的黑洞群或者刷新我們對黑洞形成機(jī)制的認(rèn)知?！?/p>

黑洞101

黑洞是宇宙中密度極高的物體，任何光線都無法從中逃逸出來。當(dāng)物質(zhì)落入黑洞中，它無路可逃。而且黑洞吞噬的物質(zhì)越多，它的質(zhì)量和體積就越大。

最小的黑洞被稱為“恒星質(zhì)量”，其質(zhì)量大約在1到100倍的太陽質(zhì)量。他們從恒星劇烈爆炸的過程中形成，這一過程也被稱為超新星。

另一方面，超大質(zhì)量的黑洞在大星系中起著錨定的作用，比如說，我們的太陽和所有在銀河系中的恒星都繞著一個(gè)稱為射手座A*（Sagittarius A*）的大約410萬個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞旋轉(zhuǎn)。一個(gè)更加龐大的黑洞，其質(zhì)量大約是65億個(gè)太陽的質(zhì)量，作為梅西耶87（M87）星系的核心。M87的超大質(zhì)量黑洞出現(xiàn)在著名的“事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）”圖像中，首次展現(xiàn)出黑洞及其“陰影”。陰影是由事件視界造成的，黑洞的不可逆轉(zhuǎn)點(diǎn)，憑借其強(qiáng)大的引力彎曲并捕捉光線。

超大質(zhì)量黑洞的周圍往往有一種叫做“吸積盤”盤狀物質(zhì)，這種盤狀物質(zhì)由極熱的高能粒子構(gòu)成。當(dāng)它們越靠近事件視界，也就是黑洞的無法返回的區(qū)域時(shí)，吸積盤就會(huì)愈發(fā)明亮。由于黑洞吞噬了更多物質(zhì)而使吸積盤更加明亮的這種現(xiàn)象被稱作“活躍星系核”。

創(chuàng)造黑洞所需的物質(zhì)密度令人難以想象。要制造一個(gè)50倍太陽質(zhì)量的黑洞，你必須把相當(dāng)于50個(gè)太陽的東西裝進(jìn)一個(gè)不到200英里（300公里）的球里。但就M87的中心而言，65億個(gè)太陽被壓縮成一個(gè)比冥王星軌道更寬的球。在這兩種情況下，由于物質(zhì)密度都是那么的高，那么原始材料必須坍縮成一個(gè)奇異點(diǎn)——時(shí)空結(jié)構(gòu)中一個(gè)的撕裂。

黑洞起源之謎的關(guān)鍵在于對黑洞增長速度的物理限制。即使是對于星系中心的巨型黑洞，它們也不是無止境地瘋狂吞噬，因?yàn)橐欢〝?shù)量的物質(zhì)將被因靠近事件視界而加速的高溫粒子所散發(fā)的高能輻射推回去。舉例來說，只吞噬掉周圍的物質(zhì)的話，那么一個(gè)低質(zhì)量黑洞在3000萬年內(nèi)可能只能使其質(zhì)量翻倍。

馬薩諸塞州劍橋史密森天體物理天文臺(tái)與莫斯科國立大學(xué)的天體物理學(xué)家Igor Chilingarian說：“如果你從50個(gè)太陽質(zhì)量開始時(shí)，你就不可能在10億年內(nèi)將它擴(kuò)展到10億個(gè)太陽質(zhì)量?！钡?，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)你看不到的黑洞

在宇宙的早期，中等質(zhì)量大小的黑洞“種子”可能從龐大的稠密氣體云的坍塌或是超新星的爆炸中形成的。在我們宇宙中最早爆炸的恒星的外層有純凈的氫和氦，重元素聚集在核心。這是一個(gè)制造更大的黑洞的配方，而不是爆裂的“新式”恒星，由于這些恒星在外層中融入了重元素，所以更多的是通過恒星風(fēng)來失去更多的質(zhì)量。

美國宇航局馬里蘭州格林貝爾特的戈達(dá)德太空飛行中心（NASA's Goddard Space Flight Center）的天體物理學(xué)家Tod Strohmayer說：“如果我們在宇宙早期形成了相當(dāng)于100個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞，那么其中有一些應(yīng)該會(huì)融合在一起，但你基本上能產(chǎn)生一個(gè)完整的質(zhì)量范圍，然后其它的一些仍然應(yīng)該存在在附近?！蹦敲矗绻鼈冋娴男纬闪?，它們在哪里呢？”

科學(xué)家在美國國家科學(xué)基金會(huì)的激光干涉儀引力波觀測臺(tái)（LIGO）以及加州理工學(xué)院和麻省理工學(xué)院之間的合作研究項(xiàng)目中得到了一個(gè)線索：中等質(zhì)量黑洞仍可能存在。LIGO探測器與意大利的一個(gè)名為VirGO的歐洲科學(xué)設(shè)施合作，通過探測許多不同的黑洞合并所產(chǎn)生的被稱為引力波的時(shí)空漣漪，來尋找中等質(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。這個(gè)星系是超亮X射線源NCG1313X-1的所在地，天文學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)將它認(rèn)定為一個(gè)中等質(zhì)量黑洞的候選者。NGC1313的寬度為50000光年，與南部網(wǎng)狀星座的銀河系相距約1400萬光年。 （圖片來源：ESO）

2016，LIGO宣布了上半個(gè)世紀(jì)最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一：第一次探測到引力波。具體而言，基于Livingston、Louisiana和Hanford, Washington的探測器采集了兩個(gè)黑洞融合的信號(hào)。這些黑洞的質(zhì)量是太陽質(zhì)量的29倍和36倍，這令科學(xué)家們感到驚奇。雖然這些從理論上來說還不算中等質(zhì)量黑洞，但它們足夠大到引起我們的注意。

所以是有可能所有的中等質(zhì)量黑洞都已經(jīng)融合，但也可能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?yàn)楹诙幢旧聿⒉话l(fā)光，所以在中等大小的荒原中尋找黑洞是棘手的。但是科學(xué)家可以使用精密的望遠(yuǎn)鏡和其他儀器來尋找特別的信號(hào)。例如，物質(zhì)流動(dòng)到黑洞的速率不是一致的，集中性吞噬物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致周圍環(huán)境的光輸出的某些變化。這種變化在較小的黑洞身上是比較明顯的。

Chilingarian說：“在以一個(gè)小時(shí)為時(shí)間尺度上，你需要幾個(gè)月時(shí)間對經(jīng)典的活動(dòng)星系的核心觀測運(yùn)動(dòng)?！?/p>

最有希望的中等質(zhì)量黑洞候選者被稱為HLX-1，其質(zhì)量約為太陽的20000倍。HLX-1代表“超亮X射線源1”，其能量輸出遠(yuǎn)高于類日恒星。澳大利亞天文學(xué)家Sean Farrell在2009使用歐洲空間局（European Space Agency）的XMM-牛頓X射線太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了它。2012年，美國國家航空航天局的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和斯威夫特太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，圍繞這個(gè)天體運(yùn)行的是一群年輕的藍(lán)恒星。它可能曾經(jīng)是一個(gè)被ESO243-49的大星系吞噬的矮星系的中心。哈里森說，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：“它發(fā)出的X射線的顏色，以及它的運(yùn)動(dòng)方式，與黑洞非常相似?！焙芏嗳?，包括我的小組，都程序性地尋找看起來像HLX-1的東西，但到目前為止，沒有一個(gè)是與之相一致的。但尋找仍在繼續(xù)?！?/p>

可能被確認(rèn)為中等質(zhì)量黑洞的不太明亮的物體被統(tǒng)稱為超亮X射線源（ULX或ULXs）。編號(hào)NGC5408X-1的閃爍ULX對于尋找中等質(zhì)量黑洞的科學(xué)家來說特別有趣。但是NASA的NuSTAR和錢德拉X射線天文臺(tái)（Chandra X-ray Observatory）揭露了許多ULX天體的真面目：它們并非之前設(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，看起來像燈塔一樣釋放脈沖。這一發(fā)現(xiàn)著實(shí)震驚了對ULX抱有期待的科學(xué)家們。

M82 X-1是銀河系M82中超量X射線源，也是另一個(gè)非常明亮的物體，它似乎與中等質(zhì)量黑洞相一致的時(shí)間尺度上閃爍。這些亮度變化與黑洞的質(zhì)量有關(guān)，而且是由吸積盤內(nèi)部附近的軌道物質(zhì)引起的。2014年的一項(xiàng)研究著眼于X射線光的特定變化，并估計(jì)M82 X-1的質(zhì)量約為400太陽質(zhì)量。科學(xué)家們利用美國宇航局的羅西X射線計(jì)時(shí)探測器（Rossi X-ray Timing Explorer，RXTE）衛(wèi)星的檔案數(shù)據(jù)來研究這些X射線亮度的變化。

最近，科學(xué)家們研究了更大一組可能是中等質(zhì)量黑洞的天體。2018年，Chilingarian和同事通過重新分析斯隆數(shù)字巡天（Sloan Digital Sky Survey）的光學(xué)數(shù)據(jù)并將初步預(yù)測與錢德拉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)相匹配后，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。西班牙空間科學(xué)研究所（Spain's Institute for Space Sciences）的Mar Mezcua在2018年領(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)成長在矮星系中的黑洞，它們的質(zhì)量可能在這個(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？

矮星系是一個(gè)讓人流連的地方，因?yàn)樵诶碚撋希^小的恒星系統(tǒng)可以容納下質(zhì)量更小的黑洞，相較于我們這樣的大星系的中心的黑洞。

出于相同的原因，科學(xué)家們也在尋找位于銀河系邊緣的抱團(tuán)球狀星團(tuán)和其他星系的球狀星團(tuán)。

Strohmayer說：“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，那么我們很難能看到它們?！?/p>

這些中等質(zhì)量黑洞獵人急切地等待著NASA的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope）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)，以及這個(gè)黑洞可能是如何融合在一起的。通過結(jié)合X射線觀測，韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的紅外數(shù)據(jù)將對我們認(rèn)定一些最古老的黑洞候選者是十分重要。

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為光譜X-Gamma，它是一種用X射線掃描宇宙的航天器，它攜帶著一款由美國宇航局馬歇爾航天飛行中心（NASA Marshall Space Flight Center）在阿拉巴馬州亨茨維爾（Huntsville, Alabama）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（Laser Interferometer Space Antenna）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。

作者：Elizabeth Landau

翻譯：王麟濤

審校：羅廣楨

引進(jìn)來源：NASA

引進(jìn)鏈接：https://phys.org/news/2019-09-black-hole-seeds-cosmic-garden.html