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(xué)家對它的搜索要另辟蹊徑。

當(dāng)觀察到恒星圍繞著中心一個看不見的東西在加速，天文學(xué)家會猜測那里可能有一個黑洞。而黑洞在吞噬物質(zhì)的過程中有時也會產(chǎn)生向外的噴流，這是黑洞存在的另一個“泄密者”。最近，天文學(xué)家還觀測到了黑洞碰撞產(chǎn)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(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。一類是恒星質(zhì)量的黑洞，它們是由大質(zhì)量恒星（一般是太陽質(zhì)量20倍以上的恒星）在燃燒殆盡時，通過超新星爆發(fā)形成的。這類黑洞通常小于100倍的太陽質(zhì)量，目前已知的最大者是太陽質(zhì)量的15倍。另一類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質(zhì)量的400萬倍。其他星系的黑洞有的可達幾十億個太陽質(zhì)量。但是居于兩類之間的中等質(zhì)量黑洞，卻一直沒找到。

這種狀況是令人費解的。你想，超大質(zhì)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(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞，需要吞吃數(shù)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?？墒?，天文學(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(zhì)量黑洞！

你或許會說，中等質(zhì)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(dāng)然，恒星級黑洞“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產(chǎn)生。因為第一代恒星的質(zhì)量比現(xiàn)在的恒星要大很多，它們在超新星爆發(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)省了時間，從而讓它們有足夠時間合并成超大質(zhì)量黑洞。

但是，如果這樣的話呢，必然還有很多沒有合并成大質(zhì)量黑洞的中等質(zhì)量黑洞留下來，我們應(yīng)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(zhì)量黑洞

其實，這個問題是天文學(xué)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(xué)家起初以為它們來自黑洞。因為當(dāng)物質(zhì)打著螺旋以越來越快的速度掉入黑洞時，與鄰近物質(zhì)的摩擦?xí)阉兊脽霟?，于是發(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射線暴看起來太亮了，比太陽還亮100多萬倍，它們不可能來自只有恒星質(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射線暴是脈動信號，只需用脈沖星就能解釋。所以沒必要認為它們產(chǎn)生自中等質(zhì)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(xué)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(cè)）”的球狀星團中發(fā)現(xiàn)了中等質(zhì)量黑洞。

按理說，這個星團中心應(yīng)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(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看不見的中心運動的現(xiàn)象，也觀察不到黑洞在吞噬物質(zhì)的過程中產(chǎn)生向外噴流的現(xiàn)象，因此，如果中心有黑洞，確定黑洞的兩個常規(guī)辦法在這里都無法奏效。

天文學(xué)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(fā)現(xiàn)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(jù)此，他們認為那里藏有一個黑洞，經(jīng)過計算，質(zhì)量在1450～3800個太陽質(zhì)量之間，正好處于中等質(zhì)量的范圍。

這么說，總算找到了一個，但多數(shù)人認為，僅僅發(fā)現(xiàn)一個還不足以解決中等質(zhì)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(dāng)一些天文學(xué)家在天空搜尋中等質(zhì)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(zhuǎn)的星系?，F(xiàn)在的問題在于，我們觀察到的矮星系顯得太少了。

在宇宙學(xué)的標(biāo)準圖景中，星系和星系團都被暗物質(zhì)所滲透。暗物質(zhì)是一種惰性的、不可見的神秘物質(zhì)，它是星系形成的“腳手架”。當(dāng)天文學(xué)家對早期宇宙中的星系形成進行電腦模擬時，發(fā)現(xiàn)應(yīng)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(qū)域的恒星，其運行速度似乎不夠快。按宇宙學(xué)標(biāo)準理論預(yù)測，在矮星系中心，因為那里聚集著暗物質(zhì)，而暗物質(zhì)對普通物質(zhì)（如恒星）有引力作用，那將會使恒星以更快的速度旋轉(zhuǎn)。

為解決這兩個問題，有人傾向于對暗物質(zhì)的性質(zhì)提出質(zhì)疑。不過，英國牛津大學(xué)的天體物理學(xué)家約瑟夫·希爾克則認為有一個更簡單的辦法，即假設(shè)大多數(shù)矮星系中心都藏有一個中等質(zhì)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(zhì)量黑洞，那小型星系也該有中等質(zhì)量黑洞與之匹配。

在一個矮星系誕生的早期，中等質(zhì)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(chǎn)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(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，暗物質(zhì)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(zhì)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(xué)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(shù)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(zhì)量黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波，那么也就等于探測到了中等質(zhì)量黑洞本身。

小貼士

星團和星系

星系是指圍繞一個中心轉(zhuǎn)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(dāng)然有的時候，我們起初沒有發(fā)現(xiàn)一群恒星有一個中心，所以稱其為“星團”，但后來卻發(fā)現(xiàn)有中心，于是就從“星團”上升到“星系”了。