[비즈한국] 黑洞有著許多未解之謎，但作為天文學家，最令人感興趣的謎團之一就是黑洞“沒有中間地帶”。如果把黑洞比作黑咖啡，那麼我們所面對的命運是極端的：要麼分量太少無法解渴，要麼分量太多撐破肚皮，兩者必居其一。宇宙中的黑洞只有極其輕和極其重兩種。那種中間體量、模稜兩可的黑洞至今難以尋覓。
在黑洞的世界裡，輕的被稱為恆星級黑洞，其質量充其量只有太陽質量的20到30倍。它們通常是由大質量恆星在停止核聚變並坍縮後形成的。相反，重的被稱為超大質量黑洞，擁有相當於太陽質量數百萬甚至數億倍的質量，通常位於星系中心。宇宙中發現的黑洞絕大多數僅屬於這兩種。雖然理論上應該存在中等質量的黑洞，但它們幾乎蹤跡難尋。
這種在宇宙中“失蹤”的中等規模黑洞被稱為中等質量黑洞（IMBH，Intermediate Black hole）。它們究竟消失到了哪裡，或者在宇宙歷史上是否真的存在過這種中等水平的黑洞，至今仍是天文學界最大的未解之謎之一。這是黑洞從小型向巨型演化過程中缺失的一個關鍵環節（Missing Link）。
正因如此，發現中等質量黑洞被視為極其重要的成就。然而，天文學家最近又發現了一個新的中等質量黑洞。透過錢德拉X射線空間望遠鏡，在距離地球4.5億光年外的橢圓星系NGC 6099外圍，發現了一個發出X射線的不明存在。哈勃望遠鏡確認了該存在位於恆星密集的星團內。天文學家推測，這很可能就是他們苦苦搜尋的中等質量黑洞。為什麼中等質量黑洞如此難以尋找？它們在宇宙中幾乎不存在這一事實，又向我們傳遞了什麼資訊呢？
黑洞與它所居住的星系之間存在著驚人的關係。如果將星系中心部分的總恆星質量與其內部的黑洞質量進行比較，會發現兩者存在著非常完美的正比關係。黑洞的質量通常僅為星系中心部分質量的千分之一左右。儘管相對於整個星系的質量而言非常小，但幾乎所有星系都遵循這一比例。如果星系質量大一倍，其內部的黑洞質量也會大一倍。這暗示了黑洞與星系整體的誕生和演化有著密切的聯絡。
如果星系中心質量與黑洞質量成正比，那麼尋找中等質量黑洞的存在場所似乎並不困難。只要不斷尋找更小、更輕的星系、矮星系，以及球狀星團，理應能順理成章地找到中心質量較輕的中等質量黑洞。實際上，天文學家們一直以來都在矮星系和球狀星團中與中等質量黑洞進行著執著的“捉迷藏”。偶爾在某些大型球狀星團中，透過恆星的運動，也能發現其中心存在相當於太陽質量數千至數萬倍的中等質量黑洞的跡象。
然而，想要完全證實中等質量黑洞的身份非常棘手。巧合的是，我們缺乏衡量中等質量黑洞的“秤”。相比之下，對於更輕的恆星級黑洞，現在可以透過LIGO（鐳射干涉引力波天文臺）等引力波探測器相當準確地推斷其質量。透過感知兩個黑洞碰撞時產生的時空漣漪——引力波，可以知道參與碰撞的黑洞有多重。
但以現有的引力波探測器，很難掌握比恆星級黑洞稍重一些的中等質量黑洞的質量。這是因為引力波的波長會隨著黑洞質量的增加而變長。僅LIGO的單臂長度就已經達到了4公里，是一個非常巨大的探測器。正因為具備了這種規模，才能勉強探測到恆星級黑洞留下的微弱漣漪。而要探測比它重數千倍的中等質量黑洞，就需要更大、更靈敏的探測器。實際上需要一個比地球還大的探測器，這在現實中是不可能的。
那麼，反過來利用在超大質量黑洞研究中習得的經驗如何呢？傳統上，星系中心黑洞的質量是透過星系中心恆星的運動來推斷的。掌握了恆星環繞星系中心的速度，就可以計算出鎖定這些恆星的中心黑洞的引力，從而測量出黑洞的質量。
然而，中等質量黑洞連這種方法也很難適用。如前所述，只有達到球狀星團規模才可能存在中等質量黑洞，但星團內的恆星密度太高且體積太小。因此，很難精確測量那小體積內密集恆星的運動。此外，由於恆星靠得太近，不僅會受到黑洞引力的影響，鄰近恆星之間還會發生極其複雜的“N體問題”，使計算變得更加複雜。
如果黑洞正在吞噬周圍的其他恆星和氣體物質，會有很大幫助。黑洞本身不發光，但在吞噬周圍物質的過程中，殘骸會在黑洞周圍形成明亮的吸積盤。熾熱的吸積盤會釋放出強烈的X射線，透過X射線的亮度可以獲知其內部黑洞的威力。
但這種方法對於生活在球狀星團裡的中等質量黑洞也不太奏效。球狀星團裡聚集的都是演化接近尾聲的老年恆星，幾乎沒有殘留的新鮮氣體物質。因此，即使星團中心有黑洞，也沒有食物可供食用。即便中心存在中等質量黑洞，它們也只能處於“飢餓”狀態。由於沒有明顯的X射線，透過X射線觀測來捕捉並推斷中等質量黑洞的質量非常困難。
相比於星系中心，去搜尋星系邊緣地帶反而更好。因為即便星系中心存在中等質量黑洞，那裡也居住著更加巨大、更加強大的超大質量黑洞。中等質量黑洞可能留下的微弱痕跡，會被星系中心超大質量黑洞的壓倒性存在感所淹沒。因此，尋找星系邊緣是否存在發出強烈X射線的輻射源會更有利。
在天文學中，這種天體因其異常明亮的X射線輻射源而被定義為HLX（超亮X射線源）。最具代表性的是2009年在距離地球約2.9億光年處的星系ESO 243-49中捕獲的HLX-1。在幾乎完美平躺的星系ESO 243-49的星系盤邊緣之外，存在著一個清晰發出X射線的天體。天文學家推測，該天體是一個質量約為太陽2萬倍的中等質量黑洞。
最近又有了類似的發現，即在星系NGC 6099中發現的另一個HLX-1。這次同樣是在遠離星系中心的邊緣地帶發現的。透過分析錢德拉X射線空間望遠鏡從2009年到2023年積累的龐大資料，證實了同一位置持續發出清晰且明亮的X射線。特別是隨後進行的哈勃空間望遠鏡觀測確認，該位置確實存在著恆星高度集中的球狀星團。這裡藏有中等質量黑洞的可能性非常高。
但奇怪的是，在觀測期間，X射線的亮度一直在變化。自2009年首次發現後，2012年最亮，到了2023年又變暗了。天文學家推測這是中等質量黑洞吞噬過路恆星的過程中發生的現象。恆星被撕碎並被黑洞吞食，特別是在2012年發生了最劇烈的“進食”過程。此處隱藏的中等質量黑洞質量被推測在太陽質量的1000到1萬倍之間。這正好處於我們正在尋找的黑洞世界中缺失的那一環（Missing Link）範圍。
主張黑洞是由小型黑洞聚集最終成長為超大質量黑洞這一成長假說的天文學家認為，中等質量黑洞就是該過程的中間階段。他們推測，在宇宙中難以發現中等質量黑洞的原因，正是因為它們處於該中間階段的時間相對非常短暫。換句話說，小型恆星級黑洞成長為超大質量黑洞的速度比預期快得多。由於成長迅速，很難觀察到它們停留在中間過程的狀態。從這一觀點來看，中等質量黑洞是瞭解作為星系“種子”的黑洞如何誕生並壯大的必經之路。
小型恆星級黑洞合併是否真的會形成中等質量黑洞尚不可知。但至少觀察小型矮星系相互碰撞的過程來看，中等質量黑洞透過合併成長為更大的超大質量黑洞是有可能的。那麼，如果中等質量黑洞在我們周圍的宇宙中很難出現，原因可能就是我們周圍近處的宇宙中，大部分黑洞已經完成了向超大質量黑洞的生長。因此，為了尋找更多的中等質量黑洞，必須去搜尋那段生長正在進行中的更遙遠的宇宙過去。
當然，隨著距離增加，中等質量黑洞留下的微弱痕跡將更加難以觀測。這正好是詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（JWST）可以瞄準的絕佳目標。詹姆斯·韋伯連續捕捉到的、正在成為天文學新未解之謎的那些微小而模糊的紅點——LRD（小紅點），其真面目或許就是原始宇宙中的中等質量黑洞。天文學家們為填補現代宇宙學最後缺失的這一環所進行的挖掘工作，至今仍在持續。
參考
https://science.nasa.gov/missions/hubble/nasas-hubble-chandra-spot-rare-type-of-black-hole-eating-a-star/
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/adbbee
作者智雄培（Ji Ung-bae）是誰？他熱愛貓咪和宇宙。從小在看了《銀河鐵道999》之後，就萌生了向大眾傳播宇宙之美的夢想。目前在延世大學銀河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，同時參與講座和寫作等多種科學傳播活動。著有《曖昧的觀測臺》、《整天思考宇宙》、《星，光的科學》等書籍。