[비즈한국] 有句老话叫“平平淡淡才是真”，意思是只要不乱出风头，把份内的事做好，就能过得安安稳稳。但在宇宙中，这条格言似乎行不通。尤其是在黑洞的世界里，更是如此。
黑洞的世界容不下“中间地带”。人们发现的黑洞要么极轻，要么极重，往往处于质量的两极。处于中间地带的“中等质量黑洞”几乎从未被发现过。我们不确定是因为中等质量黑洞刚好躲在某些奇怪的地方所以难以寻找，还是说它们根本就不存在。时至今日，许多天文学家仍在致力于填补黑洞质量分布中那片空白。或许，我们一直以来都在追逐一个根本不存在的幽灵。
然而，最近我们成功捕捉到了一个极有可能是中等质量黑洞的有力证据！虽然在黑洞名单中仅仅增加了一个中等质量黑洞，但“是否存在”的不确定性与“至少发现了一个”的确定性，有着天壤之别。现在，我们终于可以不必再担心这可能只是一个不存在的幽灵了。虽然它们依然难以捉摸，但至少我们可以确信，它们正躲在某处等待着我们。
黑洞根据质量规模大致可分为两类。一种是质量约为太阳质量几十倍到100倍左右的黑洞。这类黑洞是由超大质量恒星在进化末期发生引力坍缩而形成的，被称为“恒星级黑洞”。通常我们说“恒星死后变成黑洞”指的就是这种。它们是黑洞世界里的“轻量级”选手。
此外，还有比这重得多的“重量级”黑洞，即通常在星系中心发现的“超大质量黑洞”。它们的质量惊人，达到了太阳质量的数百万倍到数十亿倍。显然，如此巨大的黑洞不可能是由一颗恒星死亡形成的。它们很可能是很久以前聚集在星系中心的众多恒星级黑洞相互融合、增长而成的庞然大物。又或者，在宇宙大爆炸后的初期，巨大的气体云直接收缩，从而形成了超大质量黑洞。
简单总结一下，一颗大质量恒星死亡后会变成恒星级黑洞，而巨大星系的中心居住着超大质量黑洞。那么在这两者之间，是否应该存在“中等量级”的黑洞呢？如果存在质量为太阳质量数千到数万倍的黑洞，这在自然界中也是非常合理的。然而至今为止，这类中等质量黑洞几乎未被发现。
它们的缺失，让人们对“超大质量黑洞是由轻型恒星级黑洞汇聚而成”这一假说产生了怀疑。如果轻量级黑洞是通过不断变大成长为重量级黑洞的，那么在中间过程中理应经过“中量级”黑洞的阶段。无法发现中量级黑洞，让人不得不怀疑，超大质量黑洞或许从一开始就不是由轻型黑洞合并而成的。
如果中等质量黑洞真的躲在某处，我们应该去哪里找呢？既然超大质量黑洞位于巨大星系的中心，那么我们或许可以去规模较小的矮星系或球状星团的中心寻找。事实上，最近的一些观测在比银河系规模小近1000倍的矮星系中心，捕捉到了疑似中等质量黑洞的各种信号。但目前结论尚未明确。
寻找中等质量黑洞可以从观测银河系中心“人马座A*”超大质量黑洞的历史中汲取经验。德国天文学家莱因哈德·根泽尔（Reinhard Genzel）和安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez）从20世纪90年代开始观测银河系中心的那个“怪物”。他们分别利用夏威夷莫纳克亚山的凯克望远镜和智利的甚大望远镜（VLT），追踪了银河系中心轨道上恒星的运动。为了在恒星高度密集的银河系中心分辨出每一颗恒星的运动，必须具备极高的分辨率。因此，他们离不开像凯克望远镜和甚大望远镜这样巨大的科学设备。
直到2000年，他们坚持不懈地观测了各种恒星的运动。结果发现，银河系中心的恒星正以极快的速度绕着扭曲的椭圆轨道运行。这些轨道全部密集地挤在距离中心仅数光年的极小区域内。更令人震惊的是，在这些恒星椭圆轨道的中心，并没有看到任何明亮的天体。
这些恒星是被银河系中心的引力束缚住的。而像根泽尔和盖兹观测到的那样，中心恒星以极高速度运行，意味着中心隐藏着某种具有强大引力的东西在牵引着周围的恒星。当时两人推算出的这个巨大引力源质量约为太阳的400万倍。这意味着极重的质量必须以极高的密度聚集在一个极其狭小的空间里。
In如果那里存在超大质量恒星或星团，理应能观测到明亮的光芒。但那里什么光也没有。唯一符合这一条件的，只有高密度物质堆积而成的未知存在——超大质量黑洞。随后，因在2020年通过观测证实了银河系中心黑洞的存在，两人与从数学上阐明黑洞中心奇点的物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）共同获得了诺贝尔物理学奖。
同理，如果规模较小的球状星团中也存在中等质量黑洞，我们是否能用与根泽尔和盖兹类似的方法来证明它的存在呢？那就是追踪球状星团中心附近那些在虚空中绕着“什么都没有”的地方高速运行的恒星。
为此，天文学家在本次研究中利用了哈勃空间望远镜的数据，观测了银河系晕中最为明亮和沉重的球状星团——半人马座ω星团（Omega Centauri）。该星团距离地球约18万光年，在几十光年的范围内聚集了近千万颗恒星，即使在晴朗的夜空中，肉眼也能看到它。
与其说它是原始星团，不如将其视为规模更大的矮星系残余更为恰当。一个曾经绕着银河系旋转的矮星系，因受到银河系引力的撕扯，外部恒星四散，只留下了高密度聚集着恒星的星系核部分。事实上，比较半人马座ω星团内恒星的化学组成可以发现，这里共存着化学成分迥异的恒星，这是在多种族恒星聚集的星系中常见的特征。
哈勃望远镜在过去20年里一直持续观测着半人马座ω星团内的恒星。20年！这绝非短时间。这段时间足以监控绕星团中心运行的恒星的位置变化。天文学家通过20年的哈勃观测数据，从中确认了七颗正在以极快速度运行的恒星。
令人惊讶的是，这些恒星以惊人的速度在星团空间内穿梭。其运行速度早已超出了仅考虑星团内可见恒星质量所能计算出的“逃逸速度”！这意味着它们运动的速度快到足以脱离星团的引力束缚飞向外部。但显然，这些恒星并没有飞出星团，而是被稳稳地锁在星团引力中。这说明星团中心存在着某种仅凭发光恒星无法解释的未知引力。而且这个引力源被限制在不到几光年的极小范围内！
基于此，天文学家得出结论：半人马座ω星团的正中心必然存在一个质量极大、密度极高的质量团。其质量约为太阳的8200倍。这恰恰是我们一直在寻找的“中等质量黑洞”，即处于中间量级的质量！
球状星团的中心可能聚集着高密度的由演化末期恒星留下的恒星级黑洞。轨道相近的黑洞通过相互的引力作用，最终可能融合成一个更大的黑洞。如果这种现象在星团中心频繁发生，完全可以预见会存在太阳质量数千到数万倍的中量级黑洞。
此外，这种过程在星团中心的恒星级黑洞越密集时发生得越快。也许我们之所以一直没能轻易发现中等质量黑洞，是因为从恒星级黑洞到超大质量黑洞的“成长速度”太快了。又或者，由于必须观测恒星高度密集、规模较小的星团中心，现有望远镜因分辨率不足，导致确认中等质量黑洞的存在变得极其困难。
此次观测也提高了此前偶尔报告的中等质量黑洞候选天体的可信度。此前，天文学家曾在一些矮星系中心捕捉到疑似质量为太阳2万倍、10万倍的中等质量黑洞候选体。当然，与迄今为止发现的众多恒星级黑洞和星系中心超大质量黑洞相比，中等质量黑洞的发现数量（即使算上候选者）仍然是极少数。目前还无法完全填补黑洞质量分布中那片空白。
在黑洞的世界里，似乎还容不下“平平淡淡”的存在。至少目前看来是这样。
参考
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07511-z
作者池雄培（Ji Ung-bae）是？热爱猫咪与宇宙。儿时在观看《银河铁道999》后，立下了向世人传达宇宙之美的梦想。目前在延世大学星系演化研究中心及近宇宙论研究室，研究通过星系相互作用进行的演化，同时通过演讲和写作等形式进行各种科学传播活动。著有《썸 타는 천문대》（暧昧天文台）、《하루 종일 우주 생각》（整天思考宇宙）、《별, 빛의 과학》（星，光的科学）等书。