什么是中等质量黑洞？

黑洞长期以来一直是科幻小说的素材——而且事出有因。这些密度难以想象的天体将如此巨大的质量压缩在如此小的空间内，以至于它们的引力连光也无法逃脱它们的表面。

尽管早在近 250 年前，英国哲学家兼牧师约翰·米歇尔就首次提出了黑洞的预测，但第一个黑洞候选体天鹅座 X-1（Cygnus X-1）直到 1971 年才被发现。此后，天文学家们不懈地致力于解答无数与这些曾经神话般的野兽有关的问题。但一个最基本且持久的问题仍然存在：它们的大小是否各不相同？

小型和大型，还是从小型到大型？

在过去的几十年里，天文学家们收集了大量证据，证明黑洞存在于质量谱的两个极端。研究人员发现了质量仅为太阳质量几倍到 100 倍的小型黑洞，以及质量可达其同类恒星级黑洞数十亿倍的超大质量黑洞。

人们认为，恒星级黑洞形成于一颗相对大质量的恒星以壮观的方式死亡时。当耗尽燃料的恒星燃烧完最后一点点燃料时，其巨大的引力会导致它自身坍缩。如果坍缩的恒星不是太大，坠入的物质会从恒星的致密核心反弹。这会导致超新星爆发，通常会留下微小的白矮星或中子星。但如果幸存下来的残骸质量超过约三个太阳质量，即使是紧密堆积的中子也无法阻止这个城市大小的核心继续坍缩成一个恒星级黑洞。

另一方面，还有另一类被称为超大质量黑洞的黑洞，它们是大多数（如果不是全部）大型星系的中心引力锚。尽管超大质量黑洞的质量是太阳质量的数百万到数十亿倍，但它们将所有这些质量压缩在一个大约相当于一颗恒星大小的区域内。有许多证据表明这些宇宙巨兽在宇宙中普遍存在，但它们的确切形成方式和时间仍然是一个谜。

但是中间的呢？难道不应该有一类中等大小的黑洞，它们填补了恒星级黑洞和超大质量黑洞之间的空白吗？这些被称为中等质量黑洞（IMBHs）的宇宙中量级选手，质量范围大约在 100 到 100 万太阳质量之间——尽管具体范围因人而异。尽管天文学家们在宇宙各地发现了几个引人注目的中等质量黑洞候选体，但它们是否真正存在仍然有待商榷。然而，证据开始不断累积。

证据在那里吗？

尽管对中等质量黑洞的决定性证据仍然难以捉摸，但在过去的几十年里，有许多研究发现了令人着迷的证据，暗示着这些不太大、也不太小的黑洞的存在。

例如，2003 年，研究人员利用欧洲空间局的 XMM-Newton 空间望远镜，在附近的星爆星系 NGC 1313 中识别出两个强烈且明显不同的 X 射线源。由于黑洞倾向于吞噬过于接近的物质并释放出高能辐射，因此它们是已知最强的 X 射线发射体之一。通过精确定位 NGC 1313 的 X 射线源并研究它们的周期性闪烁，研究人员在 2015 年能够限制其中一个被怀疑为黑洞的星系（称为 NGC 1313 X-1）的质量。他们计算出其质量约为太阳质量的 5,000 倍，误差约为 1,000 太阳质量，这将使其牢牢处于中等质量黑洞的质量范围内。

同样，在 2009 年，研究人员发现了更强的 中等大小黑洞存在的证据。该黑洞位于距离地球约 2.9 亿光年的 ESO 243-49 星系边缘附近，研究团队观测到一个极其 明亮的 X 射线源，称为 HLX-1（高光度 X 射线源 1），它没有光学对应体。这表明该天体不仅仅是一颗恒星或背景星系。此外，研究人员发现 HLX-1 的 X 射线信号随时间变化，表明黑洞每次在附近恒星近距离接近时都会变亮，向黑洞输送气体，并引发短暂的 X 射线爆发，然后缓慢消退。根据观测到的闪光亮度，研究人员计算出该黑洞的 最小质量约为太阳质量的 500 倍，尽管一些估计 其质量接近 20,000 太阳质量。

“这样的探测至关重要，”莱斯特大学的首席作者肖恩·法雷尔（Sean Farrell）在 发现后 说。“虽然已知恒星级黑洞是大质量恒星的残骸，但超大质量黑洞的形成机制仍然未知。”法雷尔继续解释说，“因此，HLX-1 的识别是朝着更好地理解我们银河系和其他星系中心存在的超大质量黑洞形成迈出的重要一步。”

最近，天文学家们开始发现强有力的证据，表明游荡的中等质量黑洞潜伏在银河系中心附近。例如，2019 年 1 月，天文学家使用阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）追踪了 一个被认为是中等质量黑洞的看不见的天体 周围的气体流，该天体的表观质量约为太阳质量的 32,000 倍。

这个新发现的中等质量黑洞距离银河系中心的超大质量黑洞人马座 A*（Sagittarius A*）仅 23 光年，这一发现表明，这个新发现的中等质量黑洞在不久的将来可能与质量约为 400 万太阳质量的人马座 A* 合并。为了支持中等质量黑洞在银河系中游荡的说法，研究人员希望利用其他轨道异常的气体云来探测我们的星系，寻找更多隐藏在以气体为主的区域中的中等大小黑洞。

搜寻中等质量黑洞

未来，研究人员将依靠多种方法来发现大量的中等大小黑洞。通过这样做，他们不仅希望证明中等质量黑洞确实存在，更重要的是，他们希望利用中等质量黑洞来帮助我们了解大质量黑洞是如何随着时间增长和演化的。

幸运的是，天文学家们现在处于有利地位。得益于 LIGO-Virgo 引力波项目的最新成功——该项目通过探测黑洞合并时产生的引力波 识别出了 20 个恒星级黑洞——研究人员拥有了一种搜索小型到中型黑洞的新方法。

尽管 LIGO-Virgo 合作尚未发现质量超过约 40 太阳质量的黑洞合并产生的引力波，但 根据 LIGO 网站，“未来，随着引力波探测器灵敏度的提高，我们将更好地了解中等质量黑洞合并的频率。第三次观测运行已于 2019 年 4 月 1 日开始收集数据，引力波科学家们非常希望很快就能观测到这些难以捉摸的源！”

因此，敬请关注，因为在未来几年里，我们可能会发现连接小型和超大质量黑洞的缺失环节的确凿证据。如果发现了，它将最终平息这个宇宙难题。到那时，我们才能停止争论中等质量黑洞的存在，转而专注于揭示它们的起源故事，以及超大质量黑洞的起源故事。