尋覓黑洞家族丟失的成員

淺草

黑洞不容易研究。它是如此致密，任何試圖靠近它的東西都會被吞噬進去，甚至光也無法擺脫它的魔掌，所以它什么光也不反射。這迫使天文學家對它的搜索要另辟蹊徑。

當觀察到恒星圍繞著中心一個看不見的東西在加速，天文學家會猜測那里可能有一個黑洞。而黑洞在吞噬物質的過程中有時也會產生向外的噴流，這是黑洞存在的另一個“泄密者”。最近，天文學家還觀測到了黑洞碰撞產生的引力波，所以通過引力波來尋找黑洞，是尋覓黑洞的第三種方法。

通過這些觀測方法，天文學家的“貨架子”上已經擺上了大大小小的黑洞“樣品”。然而，這些“樣品”中少了按理說不該缺少的一款——中等質量黑洞。

黑洞家族“三缺一”

目前發現的黑洞，按質量大小，大致可分為兩類。一類是恒星質量的黑洞，它們是由大質量恒星（一般是太陽質量20倍以上的恒星）在燃燒殆盡時，通過超新星爆發形成的。這類黑洞通常小于100倍的太陽質量，目前已知的最大者是太陽質量的15倍。另一類是位于星系中心的超大質量黑洞。銀河系中心的黑洞是太陽質量的400萬倍。其他星系的黑洞有的可達幾十億個太陽質量。但是居于兩類之間的中等質量黑洞，卻一直沒找到。

這種狀況是令人費解的。你想，超大質量黑洞必得有所來歷吧。主流觀點認為，它們是由較小的黑洞合并來的。但是，要長成一個有著10億個太陽質量的超大質量黑洞，需要吞吃數百萬個恒星級黑洞。這個過程需要很長時間，甚至整個宇宙的年齡都嫌不夠。可是，天文學家發現，超大質量黑洞在大爆炸后的最初10億年就已經存在了。似乎沒有足夠時間讓它們長得這么快呀，除非搭成它們的“積木”更大，比如說不是恒星級這樣的小黑洞，而是中等質量黑洞！

你或許會說，中等質量黑洞還不是又要由恒星級黑洞“搭積木”而來嗎？那不也需要很長時間？

當然，恒星級黑洞“搭積木”的確是形成中等質量黑洞的一條途徑。但它們的形成也許還另有捷徑。一條捷徑是，由第一代恒星死亡時產生。因為第一代恒星的質量比現在的恒星要大很多，它們在超新星爆發后形成的黑洞也許“一蹴而就”已屬于中等質量黑洞了。另一條捷徑是，直接由大團的氣體云直接坍塌而成。如果采用這兩條捷徑，中等質量黑洞的形成就節省了時間，從而讓它們有足夠時間合并成超大質量黑洞。

但是，如果這樣的話呢，必然還有很多沒有合并成大質量黑洞的中等質量黑洞留下來，我們應該能夠在宇宙中觀察到它們。可事實是，這一款黑洞在“貨架子”上嚴重“缺貨”。那它們都藏到哪里去了呢？

總算找到一個中等質量黑洞

其實，這個問題是天文學家直到最近才提出來的，在此之前，他們本以為已解決了。

事情是這樣的。自1980年代以來，遍布世界各地的射電望遠鏡探測到一系列異常明亮的X射線暴。天文學家起初以為它們來自黑洞。因為當物質打著螺旋以越來越快的速度掉入黑洞時，與鄰近物質的摩擦會把它變得熾熱，于是發射出X射線。黑洞的質量越大，圍繞它的物質飛得越快，摩擦越大，發出的X射線就越明亮。但現在，這些X射線暴看起來太亮了，比太陽還亮100多萬倍，它們不可能來自只有恒星質量大小的黑洞，證據似乎指向了中等質量黑洞。

但隨著數據的積累，天文學家先是發現，這些X射線光譜與中等質量黑洞的光譜不太匹配。然后到了2014年，又發現這些X射線暴是脈動信號，只需用脈沖星就能解釋。所以沒必要認為它們產生自中等質量的黑洞。

那么，還有哪些觀測事實被我們錯過了呢？2017年2月，美國哈佛大學的一個天文小組宣布在一個稱作“杜鵑座47號星團（47 Tuc，位于杜鵑座的南半球一側）”的球狀星團中發現了中等質量黑洞。

按理說，這個星團中心應該有黑洞存在，但由于這個星團太古老了，里面很多恒星早已燃燒殆盡，附近的物質也早被它吞噬凈盡，只剩脈沖星殘骸。所以不可能看到恒星繞一個看不見的中心運動的現象，也觀察不到黑洞在吞噬物質的過程中產生向外噴流的現象，因此，如果中心有黑洞，確定黑洞的兩個常規辦法在這里都無法奏效。

天文學家另辟蹊徑，采用了測量星團里脈沖星加速度微小變化的辦法。他們發現杜鵑座47號星團里的脈沖星，除了相互之間的引力作用外，都受到一個額外引力的加速，這個額外的引力又正好指向一個中心。據此，他們認為那里藏有一個黑洞，經過計算，質量在1450～3800個太陽質量之間，正好處于中等質量的范圍。

這么說，總算找到了一個，但多數人認為，僅僅發現一個還不足以解決中等質量黑洞為何如此稀缺的問題。為了填補這個“貨架”，有人求助于宇宙中另一類失蹤的天體——矮星系。

兩個謎團合為一個

當一些天文學家在天空搜尋中等質量黑洞時，另一些則在尋找失蹤的矮星系。這些矮星系，顧名思義，并不是大型星系，而是圍繞著更大的星系（比如銀河系）運轉的星系。現在的問題在于，我們觀察到的矮星系顯得太少了。

在宇宙學的標準圖景中，星系和星系團都被暗物質所滲透。暗物質是一種惰性的、不可見的神秘物質，它是星系形成的“腳手架”。當天文學家對早期宇宙中的星系形成進行電腦模擬時，發現應該有許多沒有合并的矮星系。然而，在真實宇宙中，我們所看到的要少得多。此外，還有另一個問題：我們所看到的位于矮星系中心區域的恒星，其運行速度似乎不夠快。按宇宙學標準理論預測，在矮星系中心，因為那里聚集著暗物質，而暗物質對普通物質（如恒星）有引力作用，那將會使恒星以更快的速度旋轉。

為解決這兩個問題，有人傾向于對暗物質的性質提出質疑。不過，英國牛津大學的天體物理學家約瑟夫·希爾克則認為有一個更簡單的辦法，即假設大多數矮星系中心都藏有一個中等質量黑洞。

撇開一切不管，希爾克的提議單從邏輯上講是有道理的。因為既然大型星系中心有超大質量黑洞，那小型星系也該有中等質量黑洞與之匹配。

在一個矮星系誕生的早期，中等質量黑洞會吸食大量氣體。但正如恒星級黑洞一樣，在吸食過程中會產生巨大的噴流（宇宙中最明亮的一類天體——類星體就是這樣產生的）。噴流吹跑了星系的大部分物質，最終形成的矮星系幾乎都很小，并沒有那么明亮。這或許就是我們一直難以觀察到矮星系的原因。此外，普通物質與暗物質有引力作用，當噴流吹跑矮星系中心的普通物質時，暗物質也如影隨形跟著離開了中心，這或許可以解釋為什么矮星系中心的恒星運行速度不夠快的問題。

如果希爾克的解釋是可信的，那么矮星系就是尋找失蹤的中等質量黑洞最有希望的地方了。但如何搜尋黯淡的矮星系，對于天文學家來說迄今依然是一個棘手的問題。

還有另一種辦法：尋找引力波。到目前為止，探測到的少數引力波事件都來自中子星或恒星級黑洞的碰撞。如果我們能檢測到來自中等質量黑洞碰撞產生的引力波，那么也就等于探測到了中等質量黑洞本身。

小貼士

星團和星系

星系是指圍繞一個中心轉的一群恒星，而星團只是同一個星系里相對比較集中的一群恒星。星系必定有一個中心，但星團不一定有中心。當然有的時候，我們起初沒有發現一群恒星有一個中心，所以稱其為“星團”，但后來卻發現有中心，于是就從“星團”上升到“星系”了。