天文學家們大約在10年前就已知道，幾乎每個大型星系的中心都包含一個巨大的黑洞——一種具有如此強烈引力的天體，甚至連光都無法逃脫。恆星的死亡會產生小型黑洞——質量範圍約為太陽質量的3到100倍——但與星系中心的龐然大物相比，這種恆星質量黑洞微不足道，後者的質量可達數百萬到數十億個太陽質量。
這些超大質量黑洞提出了主要的難題：為什麼它們在星系中如此常見？是先有星系還是先有黑洞？它們最初是如何形成的？
當宇宙還非常年輕時，超大質量黑洞就已經存在，這使得謎團更加複雜。例如，去年六月，天文學家報告了迄今為止探測到的最早的例子——一個大約20億個太陽質量的黑洞，它存在於130億年前，僅在大爆炸後7.7億年。黑洞怎麼能如此迅速地變得如此巨大？
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如此快速的形成令人費解，因為儘管黑洞以強大的真空吸塵器而聞名，但它們也可能像巨大的吹葉機一樣。落向黑洞的氣體最終在黑洞周圍巨大的盤中旋轉，即所謂的吸積盤。物質升溫併發出輻射，尤其是在接近盤內緣的“不歸路”點時。輻射會推開其他下落的物質，限制了黑洞通常透過吸積增長的速度。物理學家計算出，一個以最大速率不斷吸入周圍物質的黑洞，其質量每5000萬年就會翻一番。這對於一個恆星質量的“種子”黑洞來說太慢了，無法在不到十億年的時間內成長為數十億太陽質量的怪物。
天體物理學家提出了兩種種子黑洞形成的一般方式。第一種，多年來一直被考慮，假設最早的巨型黑洞確實是恆星的遺骸。宇宙中最早形成的恆星很可能比後來出現的恆星（如我們的太陽）質量大得多，因為原始氣體雲中不含幫助氣體冷卻和形成較小團塊的元素。這些大恆星會很快燃盡併產生質量可能是太陽質量100倍的黑洞。然後，某種過程必須比普通吸積更快地增大這些黑洞的質量。例如，如果一個大黑洞在一個密集的星團中形成，它最終會靠近星團中心，與其他大質量恆星和黑洞在一起。然後，它可以透過吞噬其他黑洞，從而突破通常的進食限制，迅速增長到10,000個太陽質量。進一步增長到超大質量規模可能是透過更普通的吸積，也可能包括其他較大的黑洞。
然而，一旦天文學家知道大型超大質量黑洞在非常早期就已存在，他們就開始懷疑恆星質量黑洞是否能夠足夠快地變成超大質量黑洞，即使是從這種加速增長開始生命。人們開始尋找產生種子黑洞的替代方法，這些方法將產生比恆星死亡時可能形成的黑洞更大的黑洞。
研究人員提出了透過跳過中間環節（恆星）來製造更大種子的模型。相反，一大團氣體雲會坍縮直接形成一個黑洞，這個黑洞比一顆死星的產物更大。透過製造質量為10,000到100,000個太陽的種子，這個過程在一定程度上緩解了早期形成超大質量黑洞的時間緊迫性。這種直接坍縮在今天的宇宙中不會發生，但當宇宙還年輕時，條件是不同的。
不幸的是，很難弄清楚這兩種情況中的哪一種發生了——種子黑洞是像垂死恆星的產物那樣從小開始，還是相反，像氣體內爆的產物那樣從較大開始。儘管天文學家可以透過望遠鏡遠眺廣闊的距離來窺探遙遠的過去，但他們還無法指望探測到正在形成的種子黑洞；即使是最大的種子也會太小而無法在如此遙遠的地方被看到。（詹姆斯·韋伯太空望遠鏡可能會揭示它們，但它要到2018年才能發射，而且必須在政治上關於其資金的爭奪中倖存下來。）因此，我和我的同事一直在追求另一種策略：尋找遺留下來的種子，這些種子由於某種原因倖存至今，而沒有長成超大質量黑洞。
如果種子黑洞最初是恆星，我們預計會在星系的中心和外圍都發現許多遺留下來的種子，因為原始恆星可能在星系中的任何地方死亡。我們還預計會發現質量從100到100,000個太陽的連續範圍，因為它們在達到超大質量狀態的任何階段都可能因缺乏食物而中斷生長。相比之下，如果種子主要透過直接氣體坍縮形成，那麼遺留下來的種子應該非常罕見；直接坍縮過程，如果它發生過，發生的頻率會低於普通的恆星死亡。我們不會發現質量範圍很廣，而是會發現大多數遺留下來的種子黑洞都比100,000個太陽質量更重（理論模型表明，這很可能是透過直接氣體坍縮形成的種子的典型質量）。
因此，其他天文學家和我一直在天空中搜尋一種新型黑洞，既不是恆星質量的，也不是超大質量的，而是介於兩者之間的：所謂的中間質量或中等質量黑洞。我們的目的是看看它們的普遍性和尺寸範圍是否更符合恆星坍縮或氣體坍縮模型。當我們大約十年前開始這項工作時，情況看起來並不樂觀。天文學家只知道一箇中等質量黑洞，並認為這是一個僥倖。然而，從那時起，我們已經發現了數百個。
什麼算是“中等質量”？在這裡，我將其定義為估計質量在1,000到200萬個太陽之間的黑洞。這個上限在某種程度上是武斷的，但它排除了最小的眾所周知的超大質量黑洞，例如銀河系的400萬太陽質量黑洞。無論如何，邊界本質上是模糊的。在實踐中，對黑洞質量的測量通常一開始非常不確定——例如，當我們改進測量技術後，我們第一批中等質量黑洞的質量都在幾年前向上移動了大約兩倍。只要我們研究從低超大質量範圍向下延伸的整個黑洞群體，精確的邊界並不重要。到目前為止，我們所學到的知識已經為我們提供了關於黑洞與其所在的星系之間相互作用的新視角。
難以捉摸的中等質量黑洞
黑洞可以透過多種方式顯露自己。例如，恆星在星系中心極速旋轉的軌道是潛伏的超大質量黑洞的明顯跡象。然而，中等質量黑洞太微不足道了，無法透過這種方式透過引力來暴露它們的存在。相反，我們專注於“活躍”黑洞——那些恰好在吞噬物質的黑洞——因為熾熱的下落物質會發出大量的光。
經過數十年的研究，天文學家發現活躍黑洞通常存在於某種型別的大型星系中。星系，尤其是大質量星系，通常分為兩種型別。一些星系，例如我們自己的星系，有一個大型的、旋轉的恆星盤。當從側面看時，這些盤星系看起來像餐盤。另一種橢圓星系基本上是恆星球。一些盤星系實際上在其中心有小型橢圓星系，稱為星系核球。活躍黑洞最常見於大型橢圓星系和具有健康核球的盤星系中。天文學家觀察到的幾乎每一個足夠近以至於可以分辨出來的星系核球，最終都被證明藏有一個質量為數百萬到數十億個太陽質量的黑洞。此外，更大的核球有更大的黑洞——黑洞的質量通常約為核球質量的千分之一。這種令人驚訝的相關性本身就是一個謎，這意味著星系和超大質量黑洞以天體物理學家尚未理解的方式共同演化。更平淡地說，這種模式暗示了在哪裡尋找中等質量黑洞：在最小的星系中。但是哪些星系呢？
一個非常令人費解的小星系提供了一個想法。我的論文導師，卡內基天文臺的路易斯·C·何，在他1995年的論文中研究了大約500個最近的明亮星系。他發現，雖然大多數具有大核球的星系都包含活躍黑洞，但沒有核球的星系則沒有——只有一個有趣的例外。NGC 4395是一個盤星系，它有一個活躍黑洞，但根本沒有核球。何自己的論文導師早在1989年就注意到了這種異常現象，但大多數研究人員認為這是一個異常值。除了NGC 4395，何的調查證實了一個更廣泛的規律：在無核球星系中沒有發現黑洞。
準確估計NGC 4395中黑洞的質量是一個挑戰。天文學中最直接的質量測量涉及測量軌道運動。例如，行星的速度及其繞太陽執行的軌道大小使我們能夠計算太陽的質量。同樣，星系中恆星的軌道可以揭示黑洞的質量，但這隻有在黑洞足夠大，以至於其引力的影響在天文學家對恆星運動的觀測中可以辨別出來時才行。NGC 4395中的黑洞太小了。
因此，天文學家必須依賴不太直接的線索。例如，來自活躍黑洞的X射線強度隨時間變化，黑洞越大，這些變化發生得越慢。2003年，當時在劍橋大學的大衛·C·石和他的同事發現，來自NGC 4395的X射線強度變化如此之快，以至於它一定相對較小——最有可能在10,000到100,000個太陽質量之間。何在2003年基於其他證據也得出了大致相同的質量範圍。
2005年，來自俄亥俄州立大學的布拉德利·M·彼得森和他的同事們對質量進行了稍微更直接的測量。他們使用了哈勃太空望遠鏡和一種稱為混響對映的技術，該技術依賴於圍繞黑洞執行的氣體雲，類似於使用圍繞太陽執行的行星。來自雲的光的回聲時間提供了軌道的尺寸。彼得森及其公司得出結論，黑洞大約有360,000個太陽質量。然而，即使使用這種技術，質量也存在很大的不確定性——高達三倍的因子——因為假設會影響數字運算。
無核球星系NGC 4395似乎恰好是我們正在尋找的那種中等質量黑洞的主星系。然而，在何檢查的500個星系中，它是唯一一個有明確證據表明存在活躍黑洞的無核球星系。第二個是在2002年發現的。當時在加州理工學院的艾倫·J·巴特使用夏威夷的凱克II望遠鏡拍攝了一個奇特但很少研究的星系POX 52的光譜。與NGC 4395一樣，即使這個星系不是通常被懷疑擁有超大質量黑洞的星系（它是一種罕見的型別，稱為球狀星系，與核球盤星系和橢圓星系不同），它也顯示出一些活躍黑洞的跡象。
巴特將新的POX 52光譜傳送給何，何看了一眼，立即問巴特：“你在哪裡找到了如此美麗的NGC 4395光譜？”這兩個物體的光譜看起來非常相似，以至於何無法將它們區分開來。（光譜中的特徵表明黑洞的存在。）
由於POX 52距離我們3億光年（比NGC 4395遠20倍），天文學家對其黑洞的質量估計相當不直接。儘管如此，各種證據都表明該星系擁有大約100,000個太陽質量的黑洞。無核球星系中的中等質量黑洞現在構成了一類，共有兩個。
當然，為了解決超大質量黑洞種子是如何形成的更大問題，我們需要更多的中等質量樣本來回答許多基本問題：中等質量黑洞有多常見？每個無核球星系都包含一個嗎，還是大多數這樣的星系沒有黑洞？這些中等質量黑洞還會出現在其他地方嗎？是否有比最初發現的這兩個更小的樣本等待被發現？只有透過回答這些問題，我們才能瞭解種子黑洞是如何形成的，以及它們在早期宇宙中扮演了什麼角色。
梳理黑洞
不幸的是，天文學家的標準技術對尋找活躍的中等質量黑洞有偏見。黑洞越大，它能吞噬的物質就越多，它就能發出越明亮的光。小黑洞很暗淡，因此更難找到。但情況變得更糟。大型黑洞傾向於出現的橢圓星系表現得非常好。這些星系沒有太多氣體，也不在製造新的恆星，這使得星系中心有一個清晰而暢通的視野。相比之下，以盤為主的星系（就像我們懷疑中等質量黑洞可能經常潛伏的地方一樣）通常正在形成恆星，年輕的星光以及相關的氣體和塵埃會隱藏活躍的黑洞。
為了克服這些障礙，在2004年，何和我求助於一個旨在在宇宙乾草堆中尋找針的寶貴資料圖書館——斯隆數字巡天。自2000年以來，這個專案在新墨西哥州的專用望遠鏡拍攝了超過四分之一天空的影像，並記錄了數百萬顆恆星和星系的光譜。
我們梳理了200,000個星系光譜，發現了19個新的候選者，它們類似於NGC 4395——小型星系，其中包含活躍黑洞，我們估計其質量小於一百萬個太陽。過去幾年中，使用更新的斯隆巡天資料的類似搜尋已將總數擴大到大約三個幾十個質量小於一百萬個太陽的黑洞，以及超過一百個剛剛超過百萬太陽閾值的黑洞。
用於估計這些質量的方法相對間接。斯隆光光譜告訴我們圍繞黑洞執行的熱氣體的速度。這只是直接計算黑洞質量所需資訊的一半（另一半是軌道大小）。儘管如此，天文學家從觀察百萬到十億太陽範圍內的活躍黑洞中瞭解到，氣體速度通常如何隨黑洞質量變化（黑洞越小，氣體速度越慢）。外推到質量稍小的黑洞，使我們能夠從斯隆資料中挑選出我們的小傢伙。
這些搜尋證實了我們基於NGC 4395和POX 52的預期：存在更廣泛的中等質量黑洞群體。同樣符合預期的是，它們優先在沒有核球的星系中被發現。然而，這些黑洞似乎仍然非常罕見。在斯隆巡天中足夠明亮以供研究的星系中，每2,000個星系中只有一個顯示出活躍中等質量黑洞的證據。
然而，斯隆搜尋可能會遺漏許多黑洞。它們完全依賴於可見光（我們的眼睛可以看到的波長範圍），塵埃雲很可能正在隱藏許多黑洞的視線。為了繞過這一點，天文學家正在使用可以穿透塵埃的光波長，例如X射線、射電和中紅外線。喬治梅森大學的Shobita Satyapal和她的合作者一直在使用中紅外光來尋找無核球星系中隱藏的活躍黑洞的跡象。來自墜入活躍黑洞的物質的極端紫外線會嚴重破壞周圍的氣體，產生不尋常的物質，例如高度電離氖的激發態。來自這些離子的排放將在中紅外光譜中留下特徵指紋。只有少數星系適合這種搜尋，Satyapal的團隊只發現了幾個新的活躍中等質量黑洞。天文學家還在X射線和射電波長中看到了可能的中等質量或小型超大質量黑洞的跡象，並且繼續進行後續觀測以確認這些候選者。
這些結果表明，光學搜尋確實忽略了許多將其質量中等的黑洞隱藏在塵埃後面的無核球星系——但不足以使中等質量黑洞變得常見。結論尚未確定，但也許只有5%到25%的無核球星系擁有足夠大到可以探測到的中等質量黑洞。
星系和黑洞的成長
對無核球星系中中等質量黑洞的觀測可能有助於解釋較大的黑洞和大型核球之間的聯絡。正如我之前提到的，大質量核球星系中的超大質量黑洞的質量往往約為核球質量的千分之一。超大質量黑洞的增長似乎與周圍核球的增長密切相關。如果在核球形成過程中建立黑洞和星系之間的相關性，那麼無核球星系的性質與其質量中等的黑洞之間應該沒有相關性。
解釋這種密切相關性如何在核球星系中產生的領先理論是這樣的：當盤星系合併時，會形成橢圓星系和大型核球。在合併過程中，引力會攪動星盤，因此恆星不再在星盤中執行，而是在一個球體（新的橢圓或核球形狀）中隨機移動。氣體雲在合併期間碰撞，並被漏斗到核球中心，引發主要的恆星形成爆發，這增加了核球中恆星的總質量。與此同時，來自每個星系的黑洞合併在一起，併吞噬星系中心的一些新氣體。透過這種方式，大型核球和超大質量黑洞可以透過星系合併中發生的這些大規模過程共同成長和演化。當黑洞的質量達到核球質量的約千分之一時，其吹葉機特性就會凸顯出來，將剩餘的氣體推出星系中心，並結束生長突增。
像NGC 4395這樣的無核球星系中的中等質量黑洞永遠不會從這些有組織的盛宴中受益。相反，它們將是遺留下來的種子，僅透過星系中心更偶然的氣體餐來生長——這些零食與塑造星系整體演化的事件無關。一些沒有核球的星系可能根本不會長成黑洞。純盤星系M33（一個在物理外觀上非常像NGC 4395的星系）就是這種情況，它非常清楚地不包含質量超過1,500個太陽的黑洞。越來越多的證據支援這種觀點，將黑洞的生長與核球的形成聯絡起來，但許多細節仍有待完善，情況尚未完全確定。
關於種子黑洞最初是如何形成的問題，中等質量黑洞的稀有性增加了早期宇宙中氣體雲直接坍縮理論的分量。如果恆星坍縮解釋了最早的種子，我們預計幾乎所有這些星系都將在其中心包含一個至少10,000個太陽質量的黑洞。然而，似乎大多數小型無核球星系的中心都不包含這樣的黑洞。
其他證據也指向直接坍縮情景。特別是，中等質量黑洞的質量與其宿主星系質量之間的弱相關性更接近於該情景的預測。如果種子從一開始就很重，那麼在數億年內製造一個十億太陽質量的黑洞就容易得多。
當然，隨著更多資料的到來，到目前為止得出的結論可能會發生變化。例如，如果天文學家觀察比斯隆巡天中光譜略暗的星系，則具有中等質量黑洞的星系比例可能會上升或下降。並且一些星系可能在星系中心之外包含中等質量黑洞。事實上，對中等質量黑洞的搜尋仍在許多方面繼續進行，正如www.ScientificAmerican.com/jan2012/black-holes中詳細描述的那樣。
目前，關於中等質量黑洞的許多關鍵問題仍然懸而未決。中等質量黑洞在特定型別的小型星系中是否更常見？（這種相關性可能暗示黑洞及其宿主星系之間甚至在產生核球和超大質量黑洞的合併之前就存在相互作用的新方式。）大多數無核球星系是否完全缺乏中等質量黑洞，還是它們具有剛剛稍微太小而無法檢測到的黑洞——可能在1,000個太陽質量的範圍內？（這些黑洞肯定是從死星的遺骸中生長出來的，而不是透過直接氣體坍縮形成的。）或者，所有無核球星系是否都擁有龐大的10,000到100,000個太陽質量的黑洞，儘管它們中的大多數恰好沒有吞噬和噴射出X射線和光？（這將改變中等質量黑洞稀有的結論。）答案可能會將天體物理學家關於星系和黑洞種子最初是如何形成的理論推向截然不同的方向。