“種子”黑洞真的存在嗎？

　　在一個年輕的恒星豐富的星系中心產生了一個最原始的超大質量的黑洞(中心黑點)的概念圖。

　　在浩瀚的宇宙花園中，其中最重的黑洞也是從小小的“種子”長大而成。通過吞噬氣體星塵或和其他致密物體的融合，這些種子黑洞在體積和質量上不斷增長，直到形成星系的中心，就比如我們生存的銀河系。但與真實的植物不同，這些巨大黑洞的種子也是黑洞，但至今沒有人發現這些“種子”黑洞。

　　有一種觀點是認為，相當于數十萬至數十億太陽質量的超大黑洞，是由一個個從未被發現的“中等質量黑洞”成長而來的。這些中等質量的黑洞大約相當于 100~10000 個太陽的質量之和。

　　NASA 和其他天文臺的科學家，正在合作使用強大的望遠鏡追蹤符合這個質量標準的奇異天體。他們已經找到了幾十個可能的目標天體，并在努力確認它們是否為黑洞。但這也引出了一個新的問題，這些中等質量的黑洞是如何形成的?

　　NASA 核分光望遠鏡陣列(NuSTAR)項目中的首席研究員，加州理工學院的物理學教授 Fiona Harrison 說：“中等質量的黑洞如此令人著迷。而人類甘愿耗費大量時間尋找它的原因在于，它能揭示早期宇宙的發展過程。從它身上，我們有可能了解到宇宙初期的黑洞群，或者刷新對黑洞形成機制的認知。”

　　黑洞起源之謎

　　黑洞是宇宙中密度極高的物體，任何光線都無法從中逃逸出來。當物質落入黑洞中，便無路可逃。而且黑洞吞噬的物質越多，它的質量和體積就越大。最小的黑洞的質量大約為 1 到 100 倍的太陽質量，它們通過恒星劇烈爆炸形成，這一過程也稱為超新星爆發。

　　超大質量的黑洞在大星系中起著錨定的作用，例如，太陽和所有銀河系中的恒星都繞著一個大約 410 萬個太陽質量的黑洞射手座A*(Sagittarius A*)旋轉。而梅西耶 87(M87)星系的核心是一個更加龐大的、大約有 65 億個太陽質量的黑洞。2019 年 4 月 10 日，事件視界望遠鏡(EHT)公布的首張黑洞照片就來自超大質量黑洞 M87，它首次展現了黑洞及其“陰影”。“陰影”是由事件視界造成的——越過事件視界，物質將無法返回。

　　超大質量黑洞的周圍往往有一種叫做“吸積盤”的盤狀物質，這種盤狀物質由極高溫的高能粒子構成。當它們越靠近事件視界，“吸積盤”就會愈發明亮，這個現象也被稱作“活躍星系核”。

　　黑洞形成所需的物質密度，令人難以想象。要制造一個 50 倍太陽質量的黑洞，你必須把相當于 50 個太陽的東西裝進一個不到 300 千米的球內。但就 M87 的中心而言，需要將 65 億個太陽壓縮成一個比冥王星軌道稍寬的球。在這兩種情況下，由于物質密度都非常高，那么原始材料必須坍縮成一個能導致時空撕裂的奇點。

　　黑洞起源之謎的關鍵在于，黑洞的增長速度存在物理限制。即使對于星系中心的巨型黑洞，它們也不會無止境地瘋狂吞噬，因為一定數量的物質將因靠近事件視界，而被加速的高溫粒子散發的高能輻射推出去。舉例來說，只吞噬掉周圍物質的話，那么一個低質量的黑洞在 3000 萬年內，其質量可能只會翻倍。

　　劍橋史密森天體物理天文臺與莫斯科國立大學的天體物理學家 Igor Chilingarian 說：“如果黑洞從 50 個太陽質量開始生長，不可能在 10 億年內擴展到 10 億個太陽質量。”但正如我們所知，在宇宙形成之后不到 10 億年時，宇宙中就存在著超大質量黑洞。

　　如何創造一個黑洞

　　在宇宙的早期，中等質量大小的黑洞“種子”，可能由龐大的稠密氣體云的坍塌或超新星的爆炸形成。宇宙中最早爆炸的恒星的外層是純凈的氫和氦，重元素聚集在核心，這是一個制造更大黑洞的配方。更大的黑洞并不能由爆裂的“新式”恒星形成，由于這些恒星在外層中融入了重元素，所以在恒星風中更容易失去更多的質量。

　　NASA 戈達德太空飛行中心的天體物理學家 Tod Strohmayer 說：“如果在宇宙早期就形成了相當于 100 個太陽質量的黑洞，有一些應該會融合在一起，合成一系列質量不同的黑洞。其中一些，應該還在這個中等質量黑洞的范圍內。如果它們真的形成了，那它們在哪里呢?”

　　科學家在激光干涉引力波天文臺(LIGO)、加州理工學院和麻省理工學院的合作研究項目中，得到了一個線索：中等質量黑洞仍可能存在。LIGO 探測器與意大利的 VirGO 探測器合作，通過探測許多不同的黑洞合并所產生的引力波時空漣漪，來尋找中等質量黑洞。

這張由歐洲南部天文臺的超大望遠鏡拍攝的照片顯示了星系 NGC1313 的中心區域。

　　2016 年，LIGO 宣布了上半個世紀最重要的科學發現之一：基于多個探測器采集的兩個黑洞融合的信號，人類第一次探測到引力波。這令科學家們感到驚奇，這兩個黑洞的質量分別是太陽的 29 倍和 36 倍。雖然從理論上來說，它們還不算中等質量的黑洞，但它們足夠大到引起我們的注意。所以，要么是所有的中等質量黑洞都已經融合，要么是我們的科技還不足以定位到它們的位置。

　　所以它們在哪里?

　　因為黑洞本身并不發光，所以尋找它們是十分棘手的。但科學家可以通過精密的望遠鏡和其他儀器來尋找特別的信號。例如，物質流動進入黑洞的速率不是一致的。而對物質集中性的吞噬，會導致其周圍環境的光線輸出發生變化。而這種變化在較小的黑洞身上更為明顯。

　　最有希望的中等質量黑洞候選者被稱為 HLX-1(Hyper-Luminous X-ray Source 1，超亮X射線源1)，其質量約為太陽的 20000 倍，其能量輸出遠高于類日恒星。2009 年，澳大利亞天文學家 Sean Farrell 使用 XMM-牛頓X射線太空望遠鏡發現了它。2012 年，NASA 的哈勃太空望遠鏡和斯威夫特太空望遠鏡發現，圍繞這個天體運行的是一群年輕的藍恒星。HLX-1 可能曾經是一個被 ESO243-49 星系吞噬的矮星系的中心。哈里森說，許多科學家認為 HLX-1 是一個已被證實的中等質量黑洞。

　　Harrison 說：“它發出的X射線的顏色以及它的運動方式，都與黑洞非常相似。很多天文學家包括我的小組，都在尋找看起來像 HLX-1 的天體，但目前為止，沒有一個是與它相一致。”

　　天文學家將可能是中等質量黑洞的天體，統稱為超亮X射線源(ULX)。但是，NASA 的核分光望遠鏡陣列(NuSTAR)和錢德拉X射線天文臺揭露了許多 ULX 天體的真面目：它們并非是之前設想的潛在黑洞。相反，它們是脈沖星，有著非常密集的恒星殘骸，看起來像燈塔一樣釋放脈沖。這一發現著實震驚了對 ULX 抱有期待的科學家們。

　　最近，科學家們研究了一組更有可能是中等質量黑洞的天體。2018 年，Chilingarian 和同事通過重新分析斯隆數字巡天(SDSS)的光學數據，并將預測的結果與錢德拉X射線天文臺和 XMM-牛頓X射線太空望遠鏡的X射線數據初步匹配后，描述了10 個候選星體的樣本。

　　他們現在正在智利和亞利桑那州使用地面望遠鏡進行跟蹤。2018 年，西班牙空間科學研究所的 Mar Mezcua 領導了一項獨立的研究，也使用錢德拉X射線天文臺的數據，發現了 40 個在矮星系中成長的黑洞，它們的質量可能也在這個特殊的中間質量范圍內。但 Mezcua 和合作者認為，這些黑洞最初是在巨大星云的崩塌中形成的，而不是從恒星爆炸中形成的。

　　下一步呢?

　　在理論上，相較于大星系的中心的黑洞，較小的恒星系統(矮星系)可以容納下質量更小的黑洞。因此，科學家們也在銀河系的邊緣，尋找抱團球狀星團和其他星系的球狀星團。

　　Strohmayer 說：“在這樣的星系中也可能有黑洞，但是如果它們不吸收很多物質的話，我們很難能看到它們。”這些中等質量黑洞急切地等待著詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)的發射，它將帶回星系誕生之初的第一縷曙光。韋伯太空望遠鏡將幫助天文學家找出究竟是星系還是它的中心黑洞先出現，以及黑洞可能是如何融合在一起的。通過結合X射線觀測，韋伯太空望遠鏡的紅外數據對我們認定一些最古老的黑洞候選者是十分重要。

　　今年 7 月，俄羅斯聯邦航天局(Roscosmos)在 7 月份發射的另一種探測裝備被稱為光譜X-Gamma，它是一種用X射線掃描宇宙的航天器，攜帶著一款由 NASA 馬歇爾航天飛行中心(NASA-MSFC)開發并制造的反光鏡儀器。另外， LIGO-Virgo 合作的引力波信息以及歐洲航天局計劃的激光干涉空間天線(LISA)任務都將有助于這項搜索任務。

　　除了目前的儀器和技術以外，這些新的儀器和技術將幫助天文學家繼續在宇宙的大花園中搜尋產生黑洞的種子，以及像我們這樣的星系。
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