[비즈한국] 黑洞有着许多未解之谜，但作为天文学家，最令人感兴趣的谜团之一就是黑洞“没有中间地带”。如果把黑洞比作黑咖啡，那么我们所面对的命运是极端的：要么分量太少无法解渴，要么分量太多撑破肚皮，两者必居其一。宇宙中的黑洞只有极其轻和极其重两种。那种中间体量、模棱两可的黑洞至今难以寻觅。
在黑洞的世界里，轻的被称为恒星级黑洞，其质量充其量只有太阳质量的20到30倍。它们通常是由大质量恒星在停止核聚变并坍缩后形成的。相反，重的被称为超大质量黑洞，拥有相当于太阳质量数百万甚至数亿倍的质量，通常位于星系中心。宇宙中发现的黑洞绝大多数仅属于这两种。虽然理论上应该存在中等质量的黑洞，但它们几乎踪迹难寻。
这种在宇宙中“失踪”的中等规模黑洞被称为中等质量黑洞（IMBH，Intermediate Black hole）。它们究竟消失到了哪里，或者在宇宙历史上是否真的存在过这种中等水平的黑洞，至今仍是天文学界最大的未解之谜之一。这是黑洞从小型向巨型演化过程中缺失的一个关键环节（Missing Link）。
正因如此，发现中等质量黑洞被视为极其重要的成就。然而，天文学家最近又发现了一个新的中等质量黑洞。通过钱德拉X射线空间望远镜，在距离地球4.5亿光年外的椭圆星系NGC 6099外围，发现了一个发出X射线的不明存在。哈勃望远镜确认了该存在位于恒星密集的星团内。天文学家推测，这很可能就是他们苦苦搜寻的中等质量黑洞。为什么中等质量黑洞如此难以寻找？它们在宇宙中几乎不存在这一事实，又向我们传递了什么信息呢？
黑洞与它所居住的星系之间存在着惊人的关系。如果将星系中心部分的总恒星质量与其内部的黑洞质量进行比较，会发现两者存在着非常完美的正比关系。黑洞的质量通常仅为星系中心部分质量的千分之一左右。尽管相对于整个星系的质量而言非常小，但几乎所有星系都遵循这一比例。如果星系质量大一倍，其内部的黑洞质量也会大一倍。这暗示了黑洞与星系整体的诞生和演化有着密切的联系。
如果星系中心质量与黑洞质量成正比，那么寻找中等质量黑洞的存在场所似乎并不困难。只要不断寻找更小、更轻的星系、矮星系，以及球状星团，理应能顺理成章地找到中心质量较轻的中等质量黑洞。实际上，天文学家们一直以来都在矮星系和球状星团中与中等质量黑洞进行着执着的“捉迷藏”。偶尔在某些大型球状星团中，通过恒星的运动，也能发现其中心存在相当于太阳质量数千至数万倍的中等质量黑洞的迹象。
然而，想要完全证实中等质量黑洞的身份非常棘手。巧合的是，我们缺乏衡量中等质量黑洞的“秤”。相比之下，对于更轻的恒星级黑洞，现在可以通过LIGO（激光干涉引力波天文台）等引力波探测器相当准确地推断其质量。通过感知两个黑洞碰撞时产生的时空涟漪——引力波，可以知道参与碰撞的黑洞有多重。
但以现有的引力波探测器，很难掌握比恒星级黑洞稍重一些的中等质量黑洞的质量。这是因为引力波的波长会随着黑洞质量的增加而变长。仅LIGO的单臂长度就已经达到了4公里，是一个非常巨大的探测器。正因为具备了这种规模，才能勉强探测到恒星级黑洞留下的微弱涟漪。而要探测比它重数千倍的中等质量黑洞，就需要更大、更灵敏的探测器。实际上需要一个比地球还大的探测器，这在现实中是不可能的。
那么，反过来利用在超大质量黑洞研究中习得的经验如何呢？传统上，星系中心黑洞的质量是通过星系中心恒星的运动来推断的。掌握了恒星环绕星系中心的速度，就可以计算出锁定这些恒星的中心黑洞的引力，从而测量出黑洞的质量。
然而，中等质量黑洞连这种方法也很难适用。如前所述，只有达到球状星团规模才可能存在中等质量黑洞，但星团内的恒星密度太高且体积太小。因此，很难精确测量那小体积内密集恒星的运动。此外，由于恒星靠得太近，不仅会受到黑洞引力的影响，邻近恒星之间还会发生极其复杂的“N体问题”，使计算变得更加复杂。
如果黑洞正在吞噬周围的其他恒星和气体物质，会有很大帮助。黑洞本身不发光，但在吞噬周围物质的过程中，残骸会在黑洞周围形成明亮的吸积盘。炽热的吸积盘会释放出强烈的X射线，通过X射线的亮度可以获知其内部黑洞的威力。
但这种方法对于生活在球状星团里的中等质量黑洞也不太奏效。球状星团里聚集的都是演化接近尾声的老年恒星，几乎没有残留的新鲜气体物质。因此，即使星团中心有黑洞，也没有食物可供食用。即便中心存在中等质量黑洞，它们也只能处于“饥饿”状态。由于没有明显的X射线，通过X射线观测来捕捉并推断中等质量黑洞的质量非常困难。
相比于星系中心，去搜寻星系边缘地带反而更好。因为即便星系中心存在中等质量黑洞，那里也居住着更加巨大、更加强大的超大质量黑洞。中等质量黑洞可能留下的微弱痕迹，会被星系中心超大质量黑洞的压倒性存在感所淹没。因此，寻找星系边缘是否存在发出强烈X射线的辐射源会更有利。
在天文学中，这种天体因其异常明亮的X射线辐射源而被定义为HLX（超亮X射线源）。最具代表性的是2009年在距离地球约2.9亿光年处的星系ESO 243-49中捕获的HLX-1。在几乎完美平躺的星系ESO 243-49的星系盘边缘之外，存在着一个清晰发出X射线的天体。天文学家推测，该天体是一个质量约为太阳2万倍的中等质量黑洞。
最近又有了类似的发现，即在星系NGC 6099中发现的另一个HLX-1。这次同样是在远离星系中心的边缘地带发现的。通过分析钱德拉X射线空间望远镜从2009年到2023年积累的庞大数据，证实了同一位置持续发出清晰且明亮的X射线。特别是随后进行的哈勃空间望远镜观测确认，该位置确实存在着恒星高度集中的球状星团。这里藏有中等质量黑洞的可能性非常高。
但奇怪的是，在观测期间，X射线的亮度一直在变化。自2009年首次发现后，2012年最亮，到了2023年又变暗了。天文学家推测这是中等质量黑洞吞噬过路恒星的过程中发生的现象。恒星被撕碎并被黑洞吞食，特别是在2012年发生了最剧烈的“进食”过程。此处隐藏的中等质量黑洞质量被推测在太阳质量的1000到1万倍之间。这正好处于我们正在寻找的黑洞世界中缺失的那一环（Missing Link）范围。
主张黑洞是由小型黑洞聚集最终成长为超大质量黑洞这一成长假说的天文学家认为，中等质量黑洞就是该过程的中间阶段。他们推测，在宇宙中难以发现中等质量黑洞的原因，正是因为它们处于该中间阶段的时间相对非常短暂。换句话说，小型恒星级黑洞成长为超大质量黑洞的速度比预期快得多。由于成长迅速，很难观察到它们停留在中间过程的状态。从这一观点来看，中等质量黑洞是了解作为星系“种子”的黑洞如何诞生并壮大的必经之路。
小型恒星级黑洞合并是否真的会形成中等质量黑洞尚不可知。但至少观察小型矮星系相互碰撞的过程来看，中等质量黑洞通过合并成长为更大的超大质量黑洞是有可能的。那么，如果中等质量黑洞在我们周围的宇宙中很难出现，原因可能就是我们周围近处的宇宙中，大部分黑洞已经完成了向超大质量黑洞的生长。因此，为了寻找更多的中等质量黑洞，必须去搜寻那段生长正在进行中的更遥远的宇宙过去。
当然，随着距离增加，中等质量黑洞留下的微弱痕迹将更加难以观测。这正好是詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）可以瞄准的绝佳目标。詹姆斯·韦伯连续捕捉到的、正在成为天文学新未解之谜的那些微小而模糊的红点——LRD（小红点），其真面目或许就是原始宇宙中的中等质量黑洞。天文学家们为填补现代宇宙学最后缺失的这一环所进行的挖掘工作，至今仍在持续。
参考
https://science.nasa.gov/missions/hubble/nasas-hubble-chandra-spot-rare-type-of-black-hole-eating-a-star/
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/adbbee
作者智雄培（Ji Ung-bae）是谁？他热爱猫咪和宇宙。从小在看了《银河铁道999》之后，就萌生了向大众传播宇宙之美的梦想。目前在延世大学银河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，同时参与讲座和写作等多种科学传播活动。著有《暧昧的观测台》、《整天思考宇宙》、《星，光的科学》等书籍。