互动科普

宇宙诞生之初，就有质量与100万个太阳相当的黑洞存在。这些黑洞从何而来？它们如何能在短时间内迅速成长？质量小于100万个太阳的中型黑洞也许隐藏着这些大型黑洞及星系形成的奥秘。

撰文 詹妮·E·格林（Jenny E. Greene） 翻译 庞玮

这些被称为超大质量黑洞（supermassive black hole）的家伙带来了大量问题：为什么几乎所有星系中心都有它们的身影？究竟是先有星系后再在中心产生黑洞，还是先有黑洞再围绕它形成一个星系？这些巨无霸究竟是怎么形成的？

大质量黑洞从何而来

越发离奇的是，超大质量黑洞在宇宙非常年轻时就已经出现了。去年6月天文学家就报告说，找到了迄今发现的最古老的超大质量黑洞，这个质量大约相当于200万个太阳的黑洞出生在130亿年前，只比创造了宇宙的大爆炸（big bang）晚了7.7亿年。它们为什么能如此迅速地长到这么大？

如此之快的形成速度颇令人费解，因为虽然黑洞有超级宇宙“吸尘器”的名头，但实际上它们也是超级宇宙“吹风机”。被吸向黑洞的星际气体最终会围绕黑洞形成一个巨大的碟形漩涡，天文学家称之为吸积盘（accretion disk），吸积盘围绕黑洞高速旋转，里面的物质通过相互摩擦被加热，随着温度升高而不断向外辐射能量，尤其是当这些物质到达吸积盘内侧的黑洞视界（即连光都有去无回的边界）时辐射尤为剧烈。这些辐射会将后来的物质向外推挤，从而限制了黑洞吸积生长的速度。物理学家的计算表明，一个以最大吸积速度持续吞噬物质的黑洞，其质量每5 000万年翻一番，这个速度太慢了，不可能让一个恒星留下的“种子黑洞”在10亿年内长成超大质量黑洞。

天体物理学家已经为这些“种子黑洞”设想了两种成长方式。第一种是在很多年前提出的，其观点是最早的巨型黑洞可能来自恒星残余。因为与后来的星际气体不同，原恒星云中还没有那些能促使气体冷却并形成小规模团块的元素，所以宇宙中最早形成的恒星可能拥有极大的质量，远远超过太阳这样的“后辈”。这些巨大的恒星燃烧更快，因此可以形成超过100个太阳质量的黑洞。接下来，还必须有一些过程能让这些黑洞获得比普通吸积更快的生长速度，比如在一个密集星团中，这样的大黑洞最有可能在星团中心附近生成，周围都是大质量恒星或其他恒星黑洞，于是它可以通过吞噬周围的黑洞轻松突破正常生长极限，在短时间内达到1万个太阳质量。此后，它可以通过更平常的吸积过程，成长为超大质量黑洞，偶尔可能还会把碰到的大型黑洞当作“甜点”。

但当天文学家找到一些出现极早的大型超大质量黑洞后，他们开始怀疑，就算考虑上述加速生长过程，恒星黑洞也很难在这么短的时间内长到这么大。于是，他们开始寻找其他可能生成“种子黑洞”的途径——这些途径所能产生的黑洞，要比濒死恒星中产生的更大。

研究者已经提出一些模型，可跳过中间阶段（恒星），直接产生更大的黑洞。在这些模型中，一大团原恒星云直接塌缩成黑洞，而无须先形成恒星，这样得到的黑洞比死亡恒星留下的更大。该过程能产生1万到10万个太阳质量的黑洞，如此一来就缩短了形成超巨型黑洞所需要的时间。由于早期宇宙的条件与今天大相径庭，所以现在的宇宙中不会发生这种直接塌缩的过程。

不过遗憾的是，我们很难证明，究竟是哪个过程产生了超大质量黑洞——是恒星死亡后留下的“种子黑洞”的加速生长，还是星云直接塌缩成大质量的黑洞？尽管天文学家能用望远镜探索宇宙边缘来回溯宇宙形成初期的情况，但要想看到形成中的“种子黑洞”却不可能，由于靠近宇宙边缘，即便是最大的“种子黑洞”也如沧海一粟（詹姆斯·韦伯望远镜或许能看到它们，但该望远镜最早也要在2018年才能发射，而且还要先捱过有关资金投入的政治争论）。基于这个原因，我和同事开始另辟蹊径，转而去寻找那些由于各种原因没能长成超大质量黑洞、一直遗留到今天的“种子黑洞”。

如果“种子黑洞”的形成是从恒星开始，那么我们预计能在星系的中心和外围找到很多未发芽的“种子”，因为第一代死亡恒星可能遍布整个星系。我们还预计，可能会找到一系列质量在100～10万个太阳质量之间的黑洞，因为它们可能在生长的任何阶段，由于“食物”不足而停止“发育”。反过来，如果“种子黑洞”来自原恒星云的直接塌缩，那么能遗留下来的“种子黑洞”会非常稀少，原因很简单：即便真的发生过这种直接塌缩，也必定比正常的恒星死亡罕见得多。不仅如此，残留黑洞也不会有连续的质量分布，我们推测绝大多数残留的“种子黑洞”都超过10万个太阳质量（理论模型表明，这是恒星云直接塌缩形成黑洞的典型质量）。

于是，我和一些天文学家开始在星空中搜索起这种新型黑洞来，它们要比恒星黑洞大，但又比超大质量黑洞小，所以我们称它们为“中间黑洞”，或中等质量黑洞。我们的目的是看看在稀有度及质量分布上，观测结果是否能验证那些直接塌缩模型。我们在10多年前就开始着手这项工作，但没多少人正眼相看，因为当时天文学家仅发现了一个中等质量黑洞，认为它不过是罕见的例外。然而那仅是序幕，此后我们陆续找到了数百个这样的黑洞。

究竟多重算是“中等质量”？我将中等质量定义为，估计质量在1 000到200万个太阳之间的黑洞。当然这个上限有些随意，不过它要小于目前已知最小的超大质量黑洞，例如银河系中心那个400万个太阳质量的家伙。无论如何界定，标准都必然是模糊的，因为在实际测量中，黑洞质量本身就存在很大的不确定性，比如我们找到的第一批中等质量黑洞前些年突然增重了一倍，而这仅仅是因为我们改进了测量方法。另一方面，由于我们的研究涵盖了超大质量以下的所有范围，所以准确的质量界定实际上对结果没什么影响。目前，我们得到的结果已经让人对黑洞与其所在星系间的相互作用有了新的看法。

“种子黑洞”芳踪难觅

黑洞虽然看不见，现身方式却不少。例如紧贴星系中心做高速圆周运动的恒星就是“此处潜伏着超大质量黑洞”的标志，但中等质量黑洞的质量还无法让它们通过引力展示自己。作为对策，我们转而专注“活跃黑洞”，也就是那些碰巧正处在吞食过程中的黑洞，因为高速坠入黑洞的物质能发射出强烈的光芒。

通过数十年的研究，天文学家发现，“活跃黑洞”通常在特定类型的大型星系中出现。星系，尤其是大型星系，一般可分成两类，一类就像我们的银河系一样，有一个围绕中心旋转的、由恒星构成的圆形结构，从侧面看非常像一个碟子，所以叫碟状星系。另一类叫椭圆星系，基本上就是由恒星构成的一个圆球或椭球。实际上，有些碟状星系的中心包含了一个小的椭圆星系，被称为核球（bulge）。“活跃黑洞”最常出现在大型椭圆星系和有正常核球的碟状星系中。在目前找到的核球中，除了那些因距离太远无法准确观测的，几乎都包含有百万至十亿个太阳质量的黑洞。不仅如此，核球越大，包含的黑洞也越大，黑洞质量通常占核球质量的千分之一，这个出人意料的关联本身就耐人寻味，它似乎表明星系与超大质量黑洞是以某种天体物理学家还不明了的方式在共同演化。更通俗地说，这种质量交织向我们暗示了如何寻找中等质量黑洞的藏身之处：一些最小的星系。但是，究竟是哪些星系？

一个令人迷惑的小星系帮了我们一把。我的论文导师、卡内基天文台的何子山（Luis C. Ho）在他1995年撰写的博士论文中，研究了大约500个离银河系最近的亮星系，结果发现大多数具有大型核球的星系都包含“活跃黑洞”，而没有核球的星系则没有，但有一个非常有趣的例外，这就是NGC 4395号星系。NGC 4395是一个完全没有核球的碟状星系，但是它却有一个“活跃黑洞”。其实何子山的导师早在1989年就注意到了这个异常，但当时大多数研究者都认为这不过是特例罢了。要不是NGC 4395，何子山的观测就证实了上述大原则，即无核球就无“活跃黑洞”。 

要准确估计NGC 4395所含黑洞的质量是一个挑战。天文学中，测量天体质量通常都要借助轨道运动，比如通过观测环绕太阳运行的某行星的速度及轨道半径，就能计算出太阳的质量。与之类似，星系中恒星的轨道运动能揭示中心黑洞的质量，这种方法要求黑洞质量较大，这样它对恒星的引力作用才会比较明显，易于观测，但NGC 4395的质量太小了。

因此，天文学家不得不依赖一些间接的信息，例如“活跃黑洞”周围会发出X射线，这些X射线的密度会随时间而变——黑洞的质量越大，变化就越慢。2003年，当时还在剑桥大学的戴维·C·席（David C. Shih）和同事发现来自NGC 4395的X射线变化得非常快，说明它的质量较小，最合理的估计是在1万到10万个太阳质量之间。同样在2003年，何子山利用其他证据对NGC 4395的质量给出了相同的估计。

较为直接的测量是在2005年，由俄亥俄州立大学的布拉德利·M·彼得森（Bradley M. Peterson）与合作者完成。他们使用了哈勃望远镜和一项名为反响映射（reverberation mapping）的成像技术，后者类似于用行星轨道运动来探测太阳质量，不过这里追踪的是围绕黑洞运转的气体云。来自这些气体云的光会有不同的回响时间（timing of echo），能帮助我们测量其轨道大小。彼得森与合作者由此论证，NGC 4395中的黑洞大约有36万个太阳质量，不过即便使用了该技术，测得的质量仍然很不确定，数值计算时采用不同假设可使最终结果上下浮动3倍之多。

这样看来，NGC 4395中的黑洞似乎刚好是我们要找的中等个头，不过在何子山的500个星系中，这是唯一一个有明确“活跃黑洞”迹象的无核球星系，还不足以说明问题。好在2002年又有了第二个样本，当时还在加州理工学院的亚伦·J·巴斯（Aaron J. Barth）用夏威夷的凯克II望远镜（Kech II）拍摄了一个罕见，但未被关注的星系POX 52的光谱，这个星系与NGC 4395类似，虽然不具备超大质量黑洞的一般条件，却显示出某些“活跃黑洞”的特征[POX 52既不是碟状星系也不是椭圆星系，而是属于很罕见的椭球星系（spheroidal）]。

巴斯将拍到的POX 52光谱发给何子山看，何子山只瞧了一眼就马上问他，“你在哪里找到这么漂亮的NGC 4395光谱？”因为这两个星系的光谱实在太像了，何子山一下子竟没看出来（光谱中的特征能揭示黑洞的存在）。

POX 52距离我们3亿光年（比NGC 4395远20倍），因此天文学家只能间接估计其质量，不过仍有各种证据表明，POX 52中寓居着一个约10万个太阳质量的黑洞。有它作伴，NGC 4395中的中等质量黑洞就不再形单影只了。

当然，要解释这些中等质量的“种子黑洞”是如何形成的，我们还需要更多的样本，否则便无法回答很多基本问题，比如中等质量黑洞究竟有多少？是不是每个无核球星系都有一个中等质量黑洞，还是大多数都没有黑洞？其他地方能找到中等质量黑洞吗？会有比已知的这两个更小的中等质量黑洞存在么？只有将这些问题一一解释清楚，我们才能了解“种子黑洞”的形成过程，以及它们在早期宇宙中扮演的角色。

红外搜寻

不尽如人意的是，天文学家常用的技术恰恰不利于寻找活跃的中等质量黑洞。黑洞越大，它的吞食量就越大，于是也就发射出更多的X射线；相反，小黑洞就很暗弱，自然难寻踪迹。这还不算，包含大型黑洞的椭圆星系往往“发育良好”，所以不会包含太多气体，也无法产生新的恒星，这样星系的中心部分就很容易看清，没有什么阻隔，但碟形结构为主的星系（比如疑为中等黑洞主要宿主的无核球碟状星系）总是有恒星形成，这些年轻恒星的熠熠星光再加上周围的气体云和尘埃，经常让中心的黑洞处于云山雾罩之中。

为了克服上述困难，我和何子山在2004年瞄向一个数据宝库：斯隆数字巡天项目（Sloan digital Sky Survey），这个项目本身就是为了在浩瀚的宇宙中“捞针”，寻找有用的信息。自2000年以来，该项目利用美国新墨西哥州的专用望远镜，已经把全天超过1/4的区域都搜了个遍，记录了上百万个恒星和星系的光谱。

我们梳理了斯隆拍摄的20万个星系的光谱，从中发现了19个新的候选者，它们都与NGC 4395类似：星系不大，包含活跃黑洞，黑洞质量估计不会超过100万个太阳质量。近几年还有一些类似研究，利用斯隆新近的巡天数据，将候选总数扩展到30多个质量不足100万个太阳质量以及100多个刚刚超过这个界限的黑洞。

上述估算黑洞质量的方法都相对间接。斯隆光谱能告诉我们热气体环绕黑洞旋转的速度，但要直接计算黑洞质量，这才是八字一撇（还需要知道轨道的半径）。然而，天文学家通过观测百万至十亿个太阳质量的活跃黑洞，了解到气体的旋转速度通常与黑洞的质量成正比（黑洞越小气体旋转速度越慢），将这个规律外推到质量更小的黑洞中，我们就可以从斯隆巡天数据中把这些中等身材的家伙挑拣出来。

这些研究证实了我们基于NGC 4395和POX 52的推测，即中等质量黑洞的分布很广泛。而且与我们的猜测一致，这些黑洞倾向于出现在无核球星系中。但从数量上说，它们还是非常罕见的。从斯隆巡天数据来看，大约每2 000个星系才有1个具有活跃的中等质量黑洞的迹象。

不过问题还没解决，因为斯隆巡天项目本身可能就遗漏了很多黑洞。它主要依赖星系的可见光（电磁波中能被肉眼看见的那一段），如果星系中尘埃较多，黑洞的信息就很可能被屏蔽。为此，天文学家已经开始用那些能刚好穿透尘埃的“光”来进行探测，比如X射线、无线电波和中红外线。美国乔治·梅森大学的休碧塔·萨蒂亚帕尔（Shobita Satyapal）和同事已经在利用中红外线波段，在无核球星系中搜寻活跃黑洞存在的迹象。物质在被活跃黑洞吞噬时会发出超短紫外光，把最后的“怒火”射向周围的气体，制造出很多特殊成分，比如高度离子化氖的激发态，而这些离子会在中红外波段留下特殊的印迹。能用这种方式进行搜寻的星系相对较少，萨蒂亚帕尔的小组仅新发现几个中等质量的活跃黑洞。其他天文学家还在X射线和无线电波段发现了中等质量黑洞或小型超大质量黑洞的迹象，后继观测正在对这些候选者进行验证。

这些结果表明，因为受到星际尘埃的遮挡，可见光波段的观测确实遗漏了不少包含着中等质量黑洞的星系，但这仍不足以说明，中等质量黑洞是很常见的。最终结论仍悬而未决，不过还有一种可能是，只有5%～25%的无核球星系含有足够大的中等质量黑洞，可以被观测到。

星系与黑洞的成长史

在无核球星系中找到中等质量黑洞，或许可以解释大黑洞与大核球之间的关联。如前文所述，大型带核球星系中的超大质量黑洞通常都占核球质量的千分之一，似乎这些黑洞的成长与核球的成长具有某种内部联系，如果这种关联是在核球形成过程中建立起来的，那么无核球星系和其中的中等质量黑洞间应该不存在这种关联。

对于带核球星系中，黑洞与核球为何有这种紧密关系，一种主流的解释是，椭圆星系和大型核球是通过碟状星系合并形成的。在合并过程中，引力搅动两个星系盘，使得恒星脱离原先的圆形轨道，进入三维空间中进行随机运动，最终形成球形分布（这解释了椭圆星系或核球的外形）。气体云在合并过程中则相互碰撞，向核球中心聚集，导致恒星爆发式形成，从而增加了核球中恒星的总质量。同时，来自两个星系中心的黑洞也融合到一起，并吞食星系中心的气体云。通过星系合并过程中的这种大尺度行为，大型球核与超大质量黑洞不断生长并同步演化。当黑洞质量达到核球质量的千分之一时，它“吹风机”的能力超过了吸积能力，周围残存的气体被吹出星系中心，加速生长也随之结束。

像NGC 4395这类无核球星系中的中等质量黑洞则无缘享受这些纷至沓来的大餐，它们是营养不良的“种子黑洞”，只能靠星系中心偶尔飘过嘴边的气体云为生，这样的零食当然无法与塑造整个星系演化的盛宴相比。一些无核球星系甚至根本无法形成黑洞，纯碟状星系M33就是如此（一个外形上与NGC 4395非常类似的星系），它即便包含黑洞，其大小也肯定不会超过1 500个太阳质量。上述演化图景已是铁证如山，但很多细节仍有待发掘，所以还不能说已经尘埃落定。

至于“种子黑洞”的出生问题，中等质量黑洞的罕见给直接塌缩理论增添了一些砝码。如果“种子黑洞”是由恒星塌缩而来，那么所有星系中心都应该会有一个质量至少相当于1万个太阳的黑洞。但目前的观测表明，几乎所有无核球星系的中心都没有这么大的黑洞。

当然，随着观测数据不断积累，如今得出的结论也可能发生变化。比如，如果天文学家能对斯隆巡天中那些更为暗弱的星系光谱进行测量，中等质量黑洞的比重可能有所升降。而且，某些星系中的中等质量黑洞也可能没在星系的中心区域。实际上，各方面都在继续寻找中等质量黑洞，详细情况可登录www.ScientificAmerican.com/jan2012/black-holes查看。

就目前而言，上述“中等质量黑洞理论”仍有很多问题有待研究。中等质量黑洞是否在特定类型的小星系中更为普遍？（这样的关联说明，黑洞与其宿主星系间的相互关系，在星系发生合并，核球及超大质量黑洞产生之前就已经存在。）是不是绝大多数无核球星系完全没有中等质量黑洞，还是说它们包含的黑洞质量较小难于探测，比如只有1 000个太阳质量？（这样的黑洞肯定来自死亡恒星而不是气体云的直接塌缩。）又或者说，所有无核球星系都包含质量在1万到10万个太阳间的黑洞，只不过其中大部分都碰巧没有吞食活动，所以没有发射X射线和可见光？（这意味着要推翻中等质量黑洞非常罕见的结论。）不同的答案，意味着星系和“种子黑洞”的形成将遵循完全不同的理论。