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(huì)被吞噬進(jìn)去，甚至光也無(wú)法擺脫它的魔掌，所以它什么光也不反射。這迫使天文學(xué)家對(duì)它的搜索要另辟蹊徑。

當(dāng)觀察到恒星圍繞著中心一個(gè)看不見(jiàn)的東西在加速，天文學(xué)家會(huì)猜測(cè)那里可能有一個(gè)黑洞。而黑洞在吞噬物質(zhì)的過(guò)程中有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生向外的噴流，這是黑洞存在的另一個(gè)“泄密者”。最近，天文學(xué)家還觀測(cè)到了黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波，所以通過(guò)引力波來(lái)尋找黑洞，是尋覓黑洞的第三種方法。

通過(guò)這些觀測(cè)方法，天文學(xué)家的“貨架子”上已經(jīng)擺上了大大小小的黑洞“樣品”。然而，這些“樣品”中少了按理說(shuō)不該缺少的一款——中等質(zhì)量黑洞。

黑洞家族“三缺一”

目前發(fā)現(xiàn)的黑洞，按質(zhì)量大小，大致可分為兩類(lèi)。一類(lèi)是恒星質(zhì)量的黑洞，它們是由大質(zhì)量恒星（一般是太陽(yáng)質(zhì)量20倍以上的恒星）在燃燒殆盡時(shí)，通過(guò)超新星爆發(fā)形成的。這類(lèi)黑洞通常小于100倍的太陽(yáng)質(zhì)量，目前已知的最大者是太陽(yáng)質(zhì)量的15倍。另一類(lèi)是位于星系中心的超大質(zhì)量黑洞。銀河系中心的黑洞是太陽(yáng)質(zhì)量的400萬(wàn)倍。其他星系的黑洞有的可達(dá)幾十億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。但是居于兩類(lèi)之間的中等質(zhì)量黑洞，卻一直沒(méi)找到。

這種狀況是令人費(fèi)解的。你想，超大質(zhì)量黑洞必得有所來(lái)歷吧。主流觀點(diǎn)認(rèn)為，它們是由較小的黑洞合并來(lái)的。但是，要長(zhǎng)成一個(gè)有著10億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞，需要吞吃數(shù)百萬(wàn)個(gè)恒星級(jí)黑洞。這個(gè)過(guò)程需要很長(zhǎng)時(shí)間，甚至整個(gè)宇宙的年齡都嫌不夠?？墒牵煳膶W(xué)家發(fā)現(xiàn)，超大質(zhì)量黑洞在大爆炸后的最初10億年就已經(jīng)存在了。似乎沒(méi)有足夠時(shí)間讓它們長(zhǎng)得這么快呀，除非搭成它們的“積木”更大，比如說(shuō)不是恒星級(jí)這樣的小黑洞，而是中等質(zhì)量黑洞！

你或許會(huì)說(shuō)，中等質(zhì)量黑洞還不是又要由恒星級(jí)黑洞“搭積木”而來(lái)嗎？那不也需要很長(zhǎng)時(shí)間？

當(dāng)然，恒星級(jí)黑洞“搭積木”的確是形成中等質(zhì)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(shí)產(chǎn)生。因?yàn)榈谝淮阈堑馁|(zhì)量比現(xiàn)在的恒星要大很多，它們?cè)诔滦潜l(fā)后形成的黑洞也許“一蹴而就”已屬于中等質(zhì)量黑洞了。另一條捷徑是，直接由大團(tuán)的氣體云直接坍塌而成。如果采用這兩條捷徑，中等質(zhì)量黑洞的形成就節(jié)省了時(shí)間，從而讓它們有足夠時(shí)間合并成超大質(zhì)量黑洞。

但是，如果這樣的話呢，必然還有很多沒(méi)有合并成大質(zhì)量黑洞的中等質(zhì)量黑洞留下來(lái)，我們應(yīng)該能夠在宇宙中觀察到它們?？墒聦?shí)是，這一款黑洞在“貨架子”上嚴(yán)重“缺貨”。那它們都藏到哪里去了呢？

總算找到一個(gè)中等質(zhì)量黑洞

其實(shí)，這個(gè)問(wèn)題是天文學(xué)家直到最近才提出來(lái)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(lái)，遍布世界各地的射電望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到一系列異常明亮的X射線暴。天文學(xué)家起初以為它們來(lái)自黑洞。因?yàn)楫?dāng)物質(zhì)打著螺旋以越來(lái)越快的速度掉入黑洞時(shí)，與鄰近物質(zhì)的摩擦?xí)阉兊脽霟幔谑前l(fā)射出X射線。黑洞的質(zhì)量越大，圍繞它的物質(zhì)飛得越快，摩擦越大，發(fā)出的X射線就越明亮。但現(xiàn)在，這些X射線暴看起來(lái)太亮了，比太陽(yáng)還亮100多萬(wàn)倍，它們不可能來(lái)自只有恒星質(zhì)量大小的黑洞，證據(jù)似乎指向了中等質(zhì)量黑洞。

但隨著數(shù)據(jù)的積累，天文學(xué)家先是發(fā)現(xiàn)，這些X射線光譜與中等質(zhì)量黑洞的光譜不太匹配。然后到了2014年，又發(fā)現(xiàn)這些X射線暴是脈動(dòng)信號(hào)，只需用脈沖星就能解釋。所以沒(méi)必要認(rèn)為它們產(chǎn)生自中等質(zhì)量的黑洞。

那么，還有哪些觀測(cè)事實(shí)被我們錯(cuò)過(guò)了呢？2017年2月，美國(guó)哈佛大學(xué)的一個(gè)天文小組宣布在一個(gè)稱(chēng)作“杜鵑座47號(hào)星團(tuán)（47 Tuc，位于杜鵑座的南半球一側(cè)）”的球狀星團(tuán)中發(fā)現(xiàn)了中等質(zhì)量黑洞。

按理說(shuō)，這個(gè)星團(tuán)中心應(yīng)該有黑洞存在，但由于這個(gè)星團(tuán)太古老了，里面很多恒星早已燃燒殆盡，附近的物質(zhì)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(gè)看不見(jiàn)的中心運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，也觀察不到黑洞在吞噬物質(zhì)的過(guò)程中產(chǎn)生向外噴流的現(xiàn)象，因此，如果中心有黑洞，確定黑洞的兩個(gè)常規(guī)辦法在這里都無(wú)法奏效。

天文學(xué)家另辟蹊徑，采用了測(cè)量星團(tuán)里脈沖星加速度微小變化的辦法。他們發(fā)現(xiàn)杜鵑座47號(hào)星團(tuán)里的脈沖星，除了相互之間的引力作用外，都受到一個(gè)額外引力的加速，這個(gè)額外的引力又正好指向一個(gè)中心。據(jù)此，他們認(rèn)為那里藏有一個(gè)黑洞，經(jīng)過(guò)計(jì)算，質(zhì)量在1450～3800個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量之間，正好處于中等質(zhì)量的范圍。

這么說(shuō)，總算找到了一個(gè)，但多數(shù)人認(rèn)為，僅僅發(fā)現(xiàn)一個(gè)還不足以解決中等質(zhì)量黑洞為何如此稀缺的問(wèn)題。為了填補(bǔ)這個(gè)“貨架”，有人求助于宇宙中另一類(lèi)失蹤的天體——矮星系。

兩個(gè)謎團(tuán)合為一個(gè)

當(dāng)一些天文學(xué)家在天空搜尋中等質(zhì)量黑洞時(shí)，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(yùn)轉(zhuǎn)的星系?，F(xiàn)在的問(wèn)題在于，我們觀察到的矮星系顯得太少了。

在宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)圖景中，星系和星系團(tuán)都被暗物質(zhì)所滲透。暗物質(zhì)是一種惰性的、不可見(jiàn)的神秘物質(zhì)，它是星系形成的“腳手架”。當(dāng)天文學(xué)家對(duì)早期宇宙中的星系形成進(jìn)行電腦模擬時(shí)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)該有許多沒(méi)有合并的矮星系。然而，在真實(shí)宇宙中，我們所看到的要少得多。此外，還有另一個(gè)問(wèn)題：我們所看到的位于矮星系中心區(qū)域的恒星，其運(yùn)行速度似乎不夠快。按宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)理論預(yù)測(cè)，在矮星系中心，因?yàn)槟抢锞奂滴镔|(zhì)，而暗物質(zhì)對(duì)普通物質(zhì)（如恒星）有引力作用，那將會(huì)使恒星以更快的速度旋轉(zhuǎn)。

為解決這兩個(gè)問(wèn)題，有人傾向于對(duì)暗物質(zhì)的性質(zhì)提出質(zhì)疑。不過(guò)，英國(guó)牛津大學(xué)的天體物理學(xué)家約瑟夫·希爾克則認(rèn)為有一個(gè)更簡(jiǎn)單的辦法，即假設(shè)大多數(shù)矮星系中心都藏有一個(gè)中等質(zhì)量黑洞。

撇開(kāi)一切不管，希爾克的提議單從邏輯上講是有道理的。因?yàn)榧热淮笮托窍抵行挠谐筚|(zhì)量黑洞，那小型星系也該有中等質(zhì)量黑洞與之匹配。

在一個(gè)矮星系誕生的早期，中等質(zhì)量黑洞會(huì)吸食大量氣體。但正如恒星級(jí)黑洞一樣，在吸食過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生巨大的噴流（宇宙中最明亮的一類(lèi)天體——類(lèi)星體就是這樣產(chǎn)生的）。噴流吹跑了星系的大部分物質(zhì)，最終形成的矮星系幾乎都很小，并沒(méi)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(zhì)與暗物質(zhì)有引力作用，當(dāng)噴流吹跑矮星系中心的普通物質(zhì)時(shí)，暗物質(zhì)也如影隨形跟著離開(kāi)了中心，這或許可以解釋為什么矮星系中心的恒星運(yùn)行速度不夠快的問(wèn)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(zhì)量黑洞最有希望的地方了。但如何搜尋黯淡的矮星系，對(duì)于天文學(xué)家來(lái)說(shuō)迄今依然是一個(gè)棘手的問(wèn)題。

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

小貼士

星團(tuán)和星系

星系是指圍繞一個(gè)中心轉(zhuǎn)的一群恒星，而星團(tuán)只是同一個(gè)星系里相對(duì)比較集中的一群恒星。星系必定有一個(gè)中心，但星團(tuán)不一定有中心。當(dāng)然有的時(shí)候，我們起初沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一群恒星有一個(gè)中心，所以稱(chēng)其為“星團(tuán)”，但后來(lái)卻發(fā)現(xiàn)有中心，于是就從“星團(tuán)”上升到“星系”了。