宇宙深處，科學家發(fā)現(xiàn)了一個“中介質(zhì)量黑洞”

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編者按：一般認為，當大質(zhì)量天體演化末期，其坍縮核心的質(zhì)量超過了太陽質(zhì)量的3.2倍時，由于沒有能夠?qū)挂Φ某饬Γ诵奶鷮o線進行下去，從而形成我們所說的“黑洞”。過去的天文觀測表明，宇宙中較為多見的是超大質(zhì)量黑洞或是很小的黑洞，而卻很少有質(zhì)量為數(shù)百個或數(shù)萬個太陽質(zhì)量的中介質(zhì)量黑洞出現(xiàn)。而天文學家在近年的觀測中，發(fā)現(xiàn)了類似中介質(zhì)量黑洞的天體存在，讓黑洞的進一步研究有了頭緒和眉目。閱讀本文，了解更多關(guān)于為什么中介質(zhì)量黑洞與宇宙形成的秘密息息相關(guān)。本文是譯自《紐約時報》中標題為“Deep in the Cosmic Forest, a Black Hole Goldilocks Might Like”的文章，作者 DennisOverbye。

這張照片是由哈勃太空望遠鏡拍攝，圖中白色圓圈標出的部分便是被拍到的一個中介質(zhì)量黑洞，它被命名為3XMM J215022.4-055108。圖片來源：NASA, ESA and D. Lin/University of New Hampshire

七億四千萬年前，一顆星星消失在了X射線的大爆發(fā)中。

2006年，當NASA的錢德拉X射線天文臺（Chandra X-ray Observatory）和歐洲航天局的XMM-牛頓太空天文臺（XMM-Newton）共同探測到來自銀河系遙遠角落的微弱輻射時，才發(fā)現(xiàn)了那次X射線的大爆發(fā)。

對于一直在尋找黑洞蹤影的新罕布什爾大學（University of New Hampshire）的天文學家林大成（Dacheng Lin）來說，這些信號是一顆恒星被黑洞吞噬后的標志性殘跡，它如同火焰熄滅前形成的弧線，抑或浩瀚宇宙唇邊的涎水。

這類事件往往是由超大質(zhì)量的黑洞所造成的，就好比我們銀河系中心黑洞的那種規(guī)模。但這個X射線的信號卻并不來自于我們或任何其他星系的中心。

這X射線更像是黑洞內(nèi)一個逐漸消失的神秘微笑。它可能來自一個距離地球7.4億光年的碟形星系的邊緣，在寶瓶座方向，但比這個星座的所有恒星都還要更遠。

這意味著，林博士有充分的理由認為，他發(fā)現(xiàn)了宇宙中最為罕見且一直被天文學家們苦苦追尋的天體之一——中介質(zhì)量黑洞。

“中介”這個詞可能用詞不當。如果林博士是對的，他（或者更確切地說，是那顆不幸的恒星）偶然發(fā)現(xiàn)了一個引力相當于5萬個太陽的無形黑洞。林博士在3月份于《天體物理學雜志通訊》（Astrophysical Journal Letters）上發(fā)表了一篇論文，正是描述了宇宙中這一黑洞的“不勞而獲”。

黑洞是愛因斯坦廣義相對論衍生的產(chǎn)物，最初并不太受待見，該理論將引力解釋為質(zhì)量和能量對時空的扭曲，就像一個胖子睡在床墊上形成的凹陷一樣，極大的質(zhì)量集中在同一個地方會導致時空扭曲以至于超出它的極限，甚至能把光線永久地困在單向隧道里，無法逃逸。

愛因斯坦并不喜歡關(guān)于黑洞的設想，但是天文學家卻發(fā)現(xiàn)宇宙中其實到處都是黑洞。許多黑洞都是超大恒星在耗盡熱核燃料繼而坍塌之后形成的殘骸，有時它們會發(fā)生碰撞，時空便會產(chǎn)生漣漪，天線也會像LIGO的引力波探測器一樣格格作響。

宇宙中散布的這些恒星幸存下來形成的黑洞，質(zhì)量往往是太陽的幾倍。而在遙遠宇宙的另一個盡頭則是那些處在各自星系中心的超大型黑洞，其質(zhì)量相當于數(shù)百萬個太陽。這些超大質(zhì)量黑洞向外發(fā)射出巨大能量，形成我們觀測到的類星體。

沒人知道這些超大質(zhì)量黑洞是從哪里來的，也沒人知道它們是怎么變成這么大的。澳大利亞的天文學家們在兩年前發(fā)現(xiàn)了一個黑洞，其在宇宙形成僅有幾十億年的時候開始膨脹，如今質(zhì)量已是太陽的200億倍。

天文學家們多年來一直在苦苦尋找這些聽起來像神話怪物一樣，即黑洞這一鏈條中缺失的一環(huán)：那些質(zhì)量剛好是太陽的幾千或幾十萬倍的中介質(zhì)量黑洞。

芝加哥大學（University of Chicago）天體物理學家丹尼爾·霍爾茨（Daniel Holz）在一封電子郵件中表示：“中介質(zhì)量黑洞確實很吸引人，從某種意義上說，它們正在成為黑洞研究領(lǐng)域的前沿。”

丹尼爾還提到：“為什么宇宙中只有質(zhì)量很大或者很小的黑洞，而沒有質(zhì)量中介的黑洞呢？一點兒也不符合“金發(fā)姑娘”原則（意指適度原則）。然而這個問題之所以會如此困擾天文學家們，其實和黑洞的起源是有關(guān)系的?！?/p>

整個星系的質(zhì)量與其中心黑洞的質(zhì)量之間有一種隱含的相關(guān)性，即星系質(zhì)量越大，該黑洞也質(zhì)量相應也就越大。因此，天文學家們就宇宙是如何形成的這一問題總結(jié)出了一個大致的理論，即那些小星系及它們中心的小黑洞在聚集成越來越大的恒星群時，每個星系中心的黑洞也都會變得越來越大。

那些相當于數(shù)百個或數(shù)萬個太陽質(zhì)量的中介質(zhì)量黑洞，有望被認為是較小矮星系的中心。但也正因如此，想要發(fā)現(xiàn)它們就比較難了。

一般只有在黑洞吞噬周圍星體時，我們才會發(fā)現(xiàn)它們。在雙星系統(tǒng)中，當黑洞吞噬它們的同伴時，就會引起人的注意。但生活在矮星系中的中介質(zhì)量黑洞一般幾乎很少有什么東西能被它們所吞噬。

法國圖盧茲天體物理與行星研究所（Institut de Recherche en astroet Planetologie）的天文學家娜塔莉·韋伯（Natalie Webb）是XMM-牛頓太空天文臺團隊的成員，也是這篇論文的作者之一，她說：“只有當氣體和塵埃落在上面時，我們才能觀測到這些中介質(zhì)量黑洞，當這種情況發(fā)生時，它們的亮度不如那些超大質(zhì)量黑洞，但它們通常和超大質(zhì)量黑洞一樣遠（如果不是更遠的話），所以對于我們的天文臺來說，它們的光的確太暗了?！?/p>

她還補充道，實際上只有中介質(zhì)量黑洞在吞噬別的恒星時，它們才處于可見狀態(tài)，而這種情況在任何一個星系，每一萬年才會發(fā)生一次。

這么來看，林博士可能真的非常幸運。他的團隊將這個被發(fā)現(xiàn)的中介質(zhì)量黑洞命名為3XMM J215022.4-055108，這是目前已知的第二個比較好的候選觀測源。

哈勃望遠鏡所拍攝的J2150-0551周圍的圖像。1farcs2×1farcs2的綠色方框（放大圖見左上角）在觀測源附近并以觀測源為中心。Gal1是源星系的主要宿主星系，在源星系附近可能有一個衛(wèi)星星系Gal2，它可能通過潮汐流與Gal1相連。圖片來源：林大成等，2020年發(fā)表于《天文與天體物理學》

但也有一種可能是他并沒有那么幸運，可能只是在我們自己的星系中發(fā)現(xiàn)了超新星爆炸后遺留下來的一顆高密度中子星的爆發(fā)而已。

林博士和他的團隊用哈勃太空望遠鏡和XMM-牛頓太空天文臺對其進行進一步觀測，他們利用X射線輻射追蹤到一個遠在銀河系之外寬度約80光年的致密恒星結(jié)，位于一個名為Gal1的遙遠星系的邊緣。

巧的是，在2005年，天文學家利用位于莫納克亞山（Mauna Kea）的CFH望遠鏡（Canada-France-Hawaii Telescope）記錄下了同一地點的一次光線爆發(fā)，那有可能是第一次致命一擊。

除此之外，天文學家們所認定的一個小星系核心被另一個更大核心吞噬之后的形態(tài)與這個恒星結(jié)精確吻合，并且這也符合星系通過吞并而聚集的觀點。

韋伯博士表示：“這是個好消息，因為天文學家曾認為中介質(zhì)量黑洞大概率是存在于矮星系中的?！?/p>

曾幾何時，中介質(zhì)量黑洞是其小矮星系的中心，而現(xiàn)在卻成了一個“空巢老人”，它周圍的大部分恒星都消失了，而它自己也終將被Gal1星系中心更大的黑洞所吞噬。

林博士在最近的論文中寫道:“鑒于此，新的觀測結(jié)果證實了這一觀測源是最佳的中介質(zhì)量黑洞觀測源之一。”

這只是尋找缺失的黑洞鏈條中幾個不錯的候選觀測源之一。另一個中介質(zhì)量黑洞HLX-1是在2009年被很多同樣的天文學家所發(fā)現(xiàn)，它位于一個名為ESO 243-49的遙遠星系的邊緣地帶，也處在一小群恒星的中間，看起來像一個矮星的殘骸，質(zhì)量大約相當于20000個太陽。

然而，在HLX-1的例子里可以看到，其X射線似乎來自于一個吸積盤，這是個高溫且在黑洞邊緣外一直旋轉(zhuǎn)的環(huán)狀物質(zhì)——這些物質(zhì)周期性地從圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)的恒星上撕扯下來。

韋伯博士是HLX-1的主要發(fā)現(xiàn)者，她說：“這顆恒星不斷回到相似的位置，不斷有更多的質(zhì)量被剝離掉，落入黑洞。我們現(xiàn)在已經(jīng)觀測到了HLX-1的8個X射線耀斑，而且是通過許多不同類型的望遠鏡所觀測到的?！?/p>

林博士在太空望遠鏡科學研究所（Space Telescope Science Institute）發(fā)表的一份聲明中說，HLX-1與最新發(fā)現(xiàn)的候選黑洞觀測源的主要區(qū)別在于“新的黑洞觀測源正在撕裂一顆恒星，這是一個極有力的證據(jù)，能證明它是個巨大的黑洞?！?/p>

尚未得到解答的是，如此巨大能吞噬一切的黑洞漩渦從何而來。宇宙似乎需要一些重組，黑洞便是其中的關(guān)鍵，但天文學家仍在努力將將目前所有被發(fā)現(xiàn)的線索完整拼起來。

對于質(zhì)量是太陽3到100倍的“普通”黑洞是如何由大質(zhì)量恒星坍縮和爆炸形成的，天文學家們有相當深刻的認識。但是，宇宙形成至今，并沒有足夠的時間讓這種黑洞增長數(shù)百萬倍或數(shù)十億倍，從而變成我們今天所觀測到的超大質(zhì)量的黑洞。

韋伯博士認為“它們一定是由別的什么東西形成的”，別的東西其實指的就是中介質(zhì)量黑洞。當它們的母星系合并成更大的星系時，這些中介質(zhì)量黑洞也會被拖到一起。

林博士認為，人們普遍愿意相信，超大質(zhì)量的黑洞可以在星系碰撞合并時由那些在此過程中被拉到一起的中介質(zhì)量黑洞所形成。

其中不太確定的是，這些中介質(zhì)量的黑洞又是從何而來呢？它們質(zhì)量巨大，不太可能是恒星坍塌的結(jié)果。林博士說，其中一種可能性為它們是由星團中的那些大質(zhì)量恒星失控合并形成的。

韋伯博士提到另一種觀點，認為它們是宇宙中第一代恒星的遺留物。天文學家已經(jīng)計算出這些只由宇宙大爆炸中即時產(chǎn)生的原始氫和氦所組成的恒星，可能比如今的恒星質(zhì)量大得多，并且生成那些能夠演變?yōu)楹诙存湕l中所缺失的中介質(zhì)量黑洞的巨大黑洞。

事實上，一些天文學家推測，由原始氣體或暗物質(zhì)形成的密度極大的星云可能完全繞過恒星階段，直接坍縮成黑洞。

芝加哥大學的霍爾茨博士認為，不管怎樣，中介質(zhì)量黑洞“是恒星大小的黑洞和超大型黑洞之間缺失的一環(huán)……如果我們確信能探測到這些黑洞，就能深刻了解宇宙中所有的黑洞都是如何形成的?！?/p>

同時他補充道：“如果沒法做到這一點，理論家們就需要加倍努力，去解釋一個新生的宇宙是如何形成那些巨大的黑洞的?！?/p>

譯者：Hailey