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黑洞家族中似乎缺少一类必要的成员。现在我们可能知道它们藏身何处了。 黑洞不容易研究。它是如此致密，任何试图靠近它的东西都会被吞噬进去，甚至光也无法摆脱它的魔掌，所以它什么光也不反射。这迫使天文学家对它的搜索要另辟蹊径。 当观察到恒星围绕着中心一个看不见的东西在加速，天文学家会猜测那里可能有一个黑洞。而黑洞在吞噬物质的过程中有时也会产生向外的喷流，这是黑洞存在的另一个“泄密者”。最近，天文学家还观测到了黑洞碰撞产生的引力波，所以通过引力波来寻找黑洞，是寻觅黑洞的第三种方法。 通过这些观测方法，天文学家的“货架子”上已经摆上了大大小小的黑洞“样品”。然而，这些“样品”中少了按理说不该缺少的一款——中等质量黑洞。 黑洞家族“三缺一” 目前发现的黑洞，按质量大小，大致可分为两类。一类是恒星质量的黑洞，它们是由大质量恒星（一般是太阳质量20倍以上的恒星）在燃烧殆尽时，通过超新星爆发形成的。这类黑洞通常小于100倍的太阳质量，目前已知的最大者是太阳质量的15倍。另一类是位于星系中心的超大质量黑洞。银河系中心的黑洞是太阳质量的400万倍。其他星系的黑洞有的可达几十亿个太阳质量。但是居于两类之间的中等质量黑洞，却一直没找到。 这种状况是令人费解的。你想，超大质量黑洞必得有所来历吧。主流观点认为，它们是由较小的黑洞合并来的。但是，要长成一个有着10亿个太阳质量的超大质量黑洞，需要吞吃数百万个恒星级黑洞。这个过程需要很长时间，甚至整个宇宙的年龄都嫌不够。可是，天文学家发现，超大质量黑洞在大爆炸后的最初10亿年就已经存在了。似乎没有足够时间让它们长得这么快呀，除非搭成它们的“积木”更大，比如说不是恒星级这样的小黑洞，而是中等质量黑洞！ 你或许会说，中等质量黑洞还不是又要由恒星级黑洞“搭积木”而来吗？那不也需要很长时间？ 当然，恒星级黑洞“搭积木”的确是形成中等质量黑洞的一条途径。但它们的形成也许还另有捷径。一条捷径是，由第一代恒星死亡时产生。因为第一代恒星的质量比现在的恒星要大很多，它们在超新星爆发后形成的黑洞也许“一蹴而就”已属于中等质量黑洞了。另一条捷径是，直接由大团的气体云直接坍塌而成。如果采用这两条捷径，中等质量黑洞的形成就节省了时间，从而让它们有足够时间合并成超大质量黑洞。 但是，如果这样的话呢，必然还有很多没有合并成大质量黑洞的中等质量黑洞留下来，我们应该能够在宇宙中观察到它们。可事实是，这一款黑洞在“货架子”上严重“缺货”。那它们都藏到哪里去了呢？ 总算找到一个中等质量黑洞 其实，这个问题是天文学家直到最近才提出来的，在此之前，他们本以为已解决了。 事情是这样的。自1980年代以来，遍布世界各地的射电望远镜探测到一系列异常明亮的X射线暴。天文学家起初以为它们来自黑洞。因为当物质打着螺旋以越来越快的速度掉入黑洞时，与邻近物质的摩擦会把它变得炽热，于是发射出X射线。黑洞的质量越大，围绕它的物质飞得越快，摩擦越大，发出的X射线就越明亮。但现在，这些X射线暴看起来太亮了，比太阳还亮100多万倍，它们不可能来自只有恒星质量大小的黑洞，证据似乎指向了中等质量黑洞。 但随着数据的积累，天文学家先是发现，这些X射线光谱与中等质量黑洞的光谱不太匹配。然后到了2014年，又发现这些X射线暴是脉动信号，只需用脉冲星就能解释。所以没必要认为它们产生自中等质量的黑洞。 那么，还有哪些观测事实被我们错过了呢？2017年2月，美国哈佛大学的一个天文小组宣布在一个称作“杜鹃座47号星团（47 Tuc，位于杜鹃座的南半球一侧）”的球状星团中发现了中等质量黑洞。 按理说，这个星团中心应该有黑洞存在，但由于这个星团太古老了，里面很多恒星早已燃烧殆尽，附近的物质也早被它吞噬净尽，只剩脉冲星残骸。所以不可能看到恒星绕一个看不见的中心运动的现象，也观察不到黑洞在吞噬物质的过程中产生向外喷流的现象，因此，如果中心有黑洞，确定黑洞的两个常规办法在这里都无法奏效。 天文学家另辟蹊径，采用了测量星团里脉冲星加速度微小变化的办法。他们发现杜鹃座47号星团里的脉冲星，除了相互之间的引力作用外，都受到一个额外引力的加速，这个额外的引力又正好指向一个中心。据此，他们认为那里藏有一个黑洞，经过计算，质量在1450～3800个太阳质量之间，正好处于中等质量的范围。 这么说，总算找到了一个，但多数人认为，仅仅发现一个还不足以解决中等质量黑洞为何如此稀缺的问题。为了填补这个“货架”，有人求助于宇宙中另一类失踪的天体——矮星系。 两个谜团合为一个 当一些天文学家在天空搜寻中等质量黑洞时，另一些则在寻找失踪的矮星系。这些矮星系，顾名思义，并不是大型星系，而是围绕着更大的星系（比如银河系）运转的星系。现在的问题在于，我们观察到的矮星系显得太少了。 在宇宙学的标准图景中，星系和星系团都被暗物质所渗透。暗物质是一种惰性的、不可见的神秘物质，它是星系形成的“脚手架”。当天文学家对早期宇宙中的星系形成进行电脑模拟时，发现应该有许多没有合并的矮星系。然而，在真实宇宙中，我们所看到的要少得多。此外，还有另一个问题：我们所看到的位于矮星系中心区域的恒星，其运行速度似乎不够快。按宇宙学标准理论预测，在矮星系中心，因为那里聚集着暗物质，而暗物质对普通物质（如恒星）有引力作用，那将会使恒星以更快的速度旋转。 为解决这两个问题，有人倾向于对暗物质的性质提出质疑。不过，英国牛津大学的天体物理学家约瑟夫·希尔克则认为有一个更简单的办法，即假设大多数矮星系中心都藏有一个中等质量黑洞。 撇开一切不管，希尔克的提议单从逻辑上讲是有道理的。因为既然大型星系中心有超大质量黑洞，那小型星系也该有中等质量黑洞与之匹配。 在一个矮星系诞生的早期，中等质量黑洞会吸食大量气体。但正如恒星级黑洞一样，在吸食过程中会产生巨大的喷流（宇宙中最明亮的一类天体——类星体就是这样产生的）。喷流吹跑了星系的大部分物质，最终形成的矮星系几乎都很小，并没有那么明亮。这或许就是我们一直难以观察到矮星系的原因。此外，普通物质与暗物质有引力作用，当喷流吹跑矮星系中心的普通物质时，暗物质也如影随形跟着离开了中心，这或许可以解释为什么矮星系中心的恒星运行速度不够快的问题。 如果希尔克的解释是可信的，那么矮星系就是寻找失踪的中等质量黑洞最有希望的地方了。但如何搜寻黯淡的矮星系，对于天文学家来说迄今依然是一个棘手的问题。 还有另一种办法：寻找引力波。到目前为止，探测到的少数引力波事件都来自中子星或恒星级黑洞的碰撞。如果我们能检测到来自中等质量黑洞碰撞产生的引力波，那么也就等于探测到了中等质量黑洞本身。
星系是指围绕一个中心转的一群恒星，而星团只是同一个星系里相对比较集中的一群恒星。星系必定有一个中心，但星团不一定有中心。当然有的时候，我们起初没有发现一群恒星有一个中心，所以称其为“星团”，但后来却发现有中心，于是就从“星团”上升到“星系”了。 |
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