黑洞起源之谜

在广阔的宇宙中，最大的黑洞也是由黑洞“种子”产生的。它们通过气体、尘埃、以及吞噬其他物体吸取营养，大小和质量逐渐增加，从而成为主导星系的中心，例如我们的银河系中心的黑洞。然而，至今还没有人找到这些刚刚“萌芽”的黑洞。

有理论认为，超大质量黑洞（质量相当于数十万到数十亿太阳质量）是由我们从未见过的较小黑洞组成的。这个难以捉摸的群体，称为“中等质量黑洞”，有一百至十万太阳质量。迄今为止发现的数百个黑洞中，有很多相对较小的黑洞，但没有一个属于中等质量范围。

科学家们正与NASA强大的太空望远镜以及其他天文观测站合作，追踪满足这些描述的遥远天体。他们已经找到了数十个候选目标，正在努力确认它们是否是黑洞。即使确认了这些天体的黑洞身份，同时这也开辟了一个全新的谜团：中等质量的黑洞是如何形成的？

“为什么这个问题令人着迷？为什么人们花这么多时间来寻找这些中等质量黑洞？因为它们揭示了早期宇宙中发生的事件：初期的黑洞质量是多少？形成机制是什么？”加州理工学院（位于加利福尼亚州帕萨迪纳市）物理学教授、NASA NuSTAR任务（Nuclear Spectroscopic Telescope Array，核光谱望远镜阵列）的首席研究员Fiona Harrison说。

初步了解黑洞

黑洞是宇宙中密度极大的天体。当物质掉入黑洞，它们没有出路，甚至光也无法逃出来。黑洞“吃”掉的东西越多，它的质量和大小就越大。

黑洞的类型：
1-100太阳质量 = 恒星质量黑洞
100-100000太阳质量 = 中等质量黑洞
100000-数十亿太阳质量 = 超大质量黑洞

最小的黑洞称为恒星质量黑洞，是在恒星末期以超新星爆炸结束它们的一生时形成的。而超大质量黑洞是大型星系的中心锚点，我们银河系中的太阳和所有其他恒星都绕着名为射手座A*的黑洞运行，其质量约为410万太阳质量。最近被事件视界望远镜（ETH）捕捉到的M87有65亿太阳质量，这是首次观测到黑洞及其事件视界弯曲光所构成的“阴影”。

超大质量黑洞周围往往有吸积盘（accretion disks），由温度极高的高能粒子组成，它们靠近事件视界时会发光。如果黑洞吞掉的物质足够多，吸积盘内侧会很明亮，这种星系中心的结构被称为“活跃星系核”（active galactic nuclei，AGN）。

产生黑洞所需的物质密度令人难以置信。举个例子，要形成50倍太阳质量的黑洞，需要将相当于50个太阳的质量放进直径300公里的球中。对于M87中心的黑洞，这相当于把65亿个太阳压缩到比冥王星轨道略大的球。无论是哪种情况，所需密度都极大，所有物质必须塌缩成一个奇点（singularity，密度无限大）。

黑洞起源之谜的关键在于其生长速度的物理限制：一定数量的物质会被事件视界附近的高能辐射所推出去。因此，在三千万年间，一个低质量的黑洞可能只能质量翻倍。

来自史密森尼天体物理天文台（Smithsonian Astrophysical Observatory，位于马萨诸塞州坎布里奇）和莫斯科州立大学的天体物理学家Igor Chilingarian说，“如果一个黑洞从50个太阳质量开始，根本就不可能在10亿年内长到10亿个太阳质量。但是，据我们所知，宇宙形成后不到10亿年就存在超大质量黑洞。”

这张概念图描绘了一个最原始的超大质量黑洞（中央黑点）在年轻的星系中心。
Credits: NASA/JPL-Caltech

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中等质量黑洞的形成

在早期的宇宙，中等质量黑洞的“种子”可能是由巨大气体云的坍塌或超新星爆炸形成的。在宇宙中爆炸的第一批恒星具有纯氢氦构成的外层和更重元素组成的内核；而对于现代的恒星，它们外层含有更多重元素，在爆炸后会通过恒星风（stellar winds）损失更多质量。所以，与现代恒星相比，第一批恒星爆炸可以形成质量更大的黑洞。

“如果在宇宙初期会形成很多100太阳质量的黑洞，它们中的一部分与其他黑洞合并。这样的话，当时会形成各种质量不一的黑洞，有一些会存在至今，” NASA戈达德太空飞行中心的天体物理学家Tod Strohmayer解释说，“那么，它们在哪儿？”

美国国家科学基金会的激光干涉仪引力波天文台（LIGO，由加州理工学院和麻省理工学院合作）提供了可能存在中等质量黑洞的线索。LIGO探测器与欧洲意大利的Virgo结合，通过引力波引发现了许多黑洞的合并。

2016年，LIGO宣布了百年来最重要的科学发现之一：第一次探测到引力波。位于路易斯安那州利文斯顿和华盛顿州汉福德的探测器接收到黑洞合并的信号，这两个黑洞分别有29倍和36倍太阳质量。尽管从严格意义上讲这些并不属于中等质量黑洞，但这足够引起了科学家们的注意。

可能所有中等质量黑洞已经合并成更大的黑洞？又或许我们的技术还不能精准地定位它们？

超亮天体HLX-1（如图所示）位于星系ESO 243-49，可能是科学家发现的一个中等质量黑洞。
Credits: NASA; ESA; and S. Farrell, Sydney Institute for Astronomy, University of Sydney

寻找中等质量黑洞

寻找黑洞是个非常棘手的难题，因为它们本身不发光。但是科学家可以使用精密的望远镜和其他仪器寻找特定的指示信号。比如，由于物质流入黑洞不是恒定的，物质的消耗或结块会导致周围环境发光发生某些变化。在较小的黑洞中，这种变化更容易被发现。

最有可能的中等质量黑洞候选者是HLX-1（Hyper-Luminous X-ray source），约有20000倍太阳质量，能量输出比类似太阳的恒星高得多。它由澳大利亚天文学家Sean Farrell于2009年发现，可能曾经是一个矮星系的中心，后来被较大的星系ESO 243-49吞噬。

Harrison说，“它发出X射线的波段以及它所表现的性质都非常像黑洞。很多人，包括我的小组，都在寻找看起来像HLX-1的天体，但是到目前为止，并没有发现。但是搜寻仍在继续。”

比HLX亮度低的超亮天体称为ULX（Ultraluminous X-ray source），它们通常不是黑洞而是脉冲星（pulsars）。脉冲星是密度非常大的恒星残留物，会发出周期性的脉冲信号，看起来像灯塔一样。

这张图像由欧洲南方天文台的甚大望远镜（Very Large Telescope）拍摄，显示了星系NGC1313的中心区域。这是ULX NCG1313X-1的所在地，天文学家现已确定其为中等质量黑洞候选者。NGC1313跨度有50000光年，距离银河系约1400万光年。
Credits: ESO

下一步计划

矮星系是一个值得继续深入考究的系统，因为从理论上讲，较小的恒星系统所容纳黑洞的质量要比像银河系这种大星系低得多。出于同样的原因，科学家们还在搜索球状星团（globular clusters），它们是星系周围聚集成球状的恒星。

“中型黑洞猎人”正急切地等待NASA韦伯太空望远镜的发射，它将追溯到宇宙第一个星系。韦伯将帮助天文学家弄清楚，银河系和其中心的黑洞哪一个先形成。结合X射线观测，韦伯的红外数据对于识别一些最古老的黑洞候选者非常重要。

俄罗斯航天局Roscosmos于今年7月发射了Spectrum X-Gamma，该航天器携带了马歇尔太空飞行中心参与开发制造的仪器，将扫描X射线天空。LIGO-Virgo合作产生的引力波信息也将有助于对黑洞的搜索，欧洲航天局计划的激光干涉空间天线（LISA）任务也将提供帮助。

参考：
https://www.nasa.gov/feature/black-hole-seeds-missing-in-cosmic-garden/