[비즈한국] 有句老話叫“平平淡淡才是真”，意思是隻要不亂出風頭，把份內的事做好，就能過得安安穩穩。但在宇宙中，這條格言似乎行不通。尤其是在黑洞的世界裡，更是如此。
黑洞的世界容不下“中間地帶”。人們發現的黑洞要麼極輕，要麼極重，往往處於質量的兩極。處於中間地帶的“中等質量黑洞”幾乎從未被發現過。我們不確定是因為中等質量黑洞剛好躲在某些奇怪的地方所以難以尋找，還是說它們根本就不存在。時至今日，許多天文學家仍在致力於填補黑洞質量分佈中那片空白。或許，我們一直以來都在追逐一個根本不存在的幽靈。
然而，最近我們成功捕捉到了一個極有可能是中等質量黑洞的有力證據！雖然在黑洞名單中僅僅增加了一箇中等質量黑洞，但“是否存在”的不確定性與“至少發現了一個”的確定性，有著天壤之別。現在，我們終於可以不必再擔心這可能只是一個不存在的幽靈了。雖然它們依然難以捉摸，但至少我們可以確信，它們正躲在某處等待著我們。
黑洞根據質量規模大致可分為兩類。一種是質量約為太陽質量幾十倍到100倍左右的黑洞。這類黑洞是由超大質量恆星在進化末期發生引力坍縮而形成的，被稱為“恆星級黑洞”。通常我們說“恆星死後變成黑洞”指的就是這種。它們是黑洞世界裡的“輕量級”選手。
此外，還有比這重得多的“重量級”黑洞，即通常在星系中心發現的“超大質量黑洞”。它們的質量驚人，達到了太陽質量的數百萬倍到數十億倍。顯然，如此巨大的黑洞不可能是由一顆恆星死亡形成的。它們很可能是很久以前聚集在星系中心的眾多恆星級黑洞相互融合、增長而成的龐然大物。又或者，在宇宙大爆炸後的初期，巨大的氣體雲直接收縮，從而形成了超大質量黑洞。
簡單總結一下，一顆大質量恆星死亡後會變成恆星級黑洞，而巨大星系的中心居住著超大質量黑洞。那麼在這兩者之間，是否應該存在“中等量級”的黑洞呢？如果存在質量為太陽質量數千到數萬倍的黑洞，這在自然界中也是非常合理的。然而至今為止，這類中等質量黑洞幾乎未被發現。
它們的缺失，讓人們對“超大質量黑洞是由輕型恆星級黑洞匯聚而成”這一假說產生了懷疑。如果輕量級黑洞是透過不斷變大成長為重量級黑洞的，那麼在中間過程中理應經過“中量級”黑洞的階段。無法發現中量級黑洞，讓人不得不懷疑，超大質量黑洞或許從一開始就不是由輕型黑洞合併而成的。
如果中等質量黑洞真的躲在某處，我們應該去哪裡找呢？既然超大質量黑洞位於巨大星系的中心，那麼我們或許可以去規模較小的矮星系或球狀星團的中心尋找。事實上，最近的一些觀測在比銀河系規模小近1000倍的矮星系中心，捕捉到了疑似中等質量黑洞的各種訊號。但目前結論尚未明確。
尋找中等質量黑洞可以從觀測銀河系中心“人馬座A*”超大質量黑洞的歷史中汲取經驗。德國天文學家萊因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）和安德烈婭·蓋茲（Andrea Ghez）從20世紀90年代開始觀測銀河系中心的那個“怪物”。他們分別利用夏威夷莫納克亞山的凱克望遠鏡和智利的甚大望遠鏡（VLT），追蹤了銀河系中心軌道上恆星的運動。為了在恆星高度密集的銀河系中心分辨出每一顆恆星的運動，必須具備極高的解析度。因此，他們離不開像凱克望遠鏡和甚大望遠鏡這樣巨大的科學裝置。
直到2000年，他們堅持不懈地觀測了各種恆星的運動。結果發現，銀河系中心的恆星正以極快的速度繞著扭曲的橢圓軌道執行。這些軌道全部密集地擠在距離中心僅數光年的極小區域內。更令人震驚的是，在這些恆星橢圓軌道的中心，並沒有看到任何明亮的天體。
這些恆星是被銀河系中心的引力束縛住的。而像根澤爾和蓋茲觀測到的那樣，中心恆星以極高速度執行，意味著中心隱藏著某種具有強大引力的東西在牽引著周圍的恆星。當時兩人推算出的這個巨大引力源質量約為太陽的400萬倍。這意味著極重的質量必須以極高的密度聚集在一個極其狹小的空間裡。
In如果那裡存在超大質量恆星或星團，理應能觀測到明亮的光芒。但那裡什麼光也沒有。唯一符合這一條件的，只有高密度物質堆積而成的未知存在——超大質量黑洞。隨後，因在2020年透過觀測證實了銀河系中心黑洞的存在，兩人與從數學上闡明黑洞中心奇點的物理學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）共同獲得了諾貝爾物理學獎。
同理，如果規模較小的球狀星團中也存在中等質量黑洞，我們是否能用與根澤爾和蓋茲類似的方法來證明它的存在呢？那就是追蹤球狀星團中心附近那些在虛空中繞著“什麼都沒有”的地方高速執行的恆星。
為此，天文學家在本次研究中利用了哈勃空間望遠鏡的資料，觀測了銀河系暈中最為明亮和沉重的球狀星團——半人馬座ω星團（Omega Centauri）。該星團距離地球約18萬光年，在幾十光年的範圍內聚集了近千萬顆恆星，即使在晴朗的夜空中，肉眼也能看到它。
與其說它是原始星團，不如將其視為規模更大的矮星系殘餘更為恰當。一個曾經繞著銀河系旋轉的矮星系，因受到銀河系引力的撕扯，外部恆星四散，只留下了高密度聚集著恆星的星系核部分。事實上，比較半人馬座ω星團內恆星的化學組成可以發現，這裡共存著化學成分迥異的恆星，這是在多種族恆星聚集的星系中常見的特徵。
哈勃望遠鏡在過去20年裡一直持續觀測著半人馬座ω星團內的恆星。20年！這絕非短時間。這段時間足以監控繞星團中心執行的恆星的位置變化。天文學家透過20年的哈勃觀測資料，從中確認了七顆正在以極快速度執行的恆星。
令人驚訝的是，這些恆星以驚人的速度在星團空間內穿梭。其執行速度早已超出了僅考慮星團內可見恆星質量所能計算出的“逃逸速度”！這意味著它們運動的速度快到足以脫離星團的引力束縛飛向外部。但顯然，這些恆星並沒有飛出星團，而是被穩穩地鎖在星團引力中。這說明星團中心存在著某種僅憑發光恆星無法解釋的未知引力。而且這個引力源被限制在不到幾光年的極小範圍內！
基於此，天文學家得出結論：半人馬座ω星團的正中心必然存在一個質量極大、密度極高的質量團。其質量約為太陽的8200倍。這恰恰是我們一直在尋找的“中等質量黑洞”，即處於中間量級的質量！
球狀星團的中心可能聚集著高密度的由演化末期恆星留下的恆星級黑洞。軌道相近的黑洞透過相互的引力作用，最終可能融合成一個更大的黑洞。如果這種現象在星團中心頻繁發生，完全可以預見會存在太陽質量數千到數萬倍的中量級黑洞。
此外，這種過程在星團中心的恆星級黑洞越密集時發生得越快。也許我們之所以一直沒能輕易發現中等質量黑洞，是因為從恆星級黑洞到超大質量黑洞的“成長速度”太快了。又或者，由於必須觀測恆星高度密集、規模較小的星團中心，現有望遠鏡因解析度不足，導致確認中等質量黑洞的存在變得極其困難。
此次觀測也提高了此前偶爾報告的中等質量黑洞候選天體的可信度。此前，天文學家曾在一些矮星系中心捕捉到疑似質量為太陽2萬倍、10萬倍的中等質量黑洞候選體。當然，與迄今為止發現的眾多恆星級黑洞和星系中心超大質量黑洞相比，中等質量黑洞的發現數量（即使算上候選者）仍然是極少數。目前還無法完全填補黑洞質量分佈中那片空白。
在黑洞的世界裡，似乎還容不下“平平淡淡”的存在。至少目前看來是這樣。
參考
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07511-z
作者池雄培（Ji Ung-bae）是？熱愛貓咪與宇宙。兒時在觀看《銀河鐵道999》後，立下了向世人傳達宇宙之美的夢想。目前在延世大學星系演化研究中心及近宇宙論研究室，研究透過星系相互作用進行的演化，同時透過演講和寫作等形式進行各種科學傳播活動。著有《썸 타는 천문대》（曖昧天文臺）、《하루 종일 우주 생각》（整天思考宇宙）、《별, 빛의 과학》（星，光的科學）等書。