十多年來，天文學家們已經知道，幾乎每個大型星系的中心都包含一個巨大的黑洞——一種引力極其強大，甚至連光都無法逃脫的天體。恆星的死亡會產生小黑洞——質量範圍從太陽質量的約三倍到一百倍不等——但與星系中心的龐然大物相比，這種恆星質量的黑洞微不足道，後者的質量可達太陽質量的數百萬到數十億倍。
這些超大質量黑洞提出了重大的謎題：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？
由於超大質量黑洞在宇宙非常年輕時就已經存在，因此這個謎團更加複雜。例如，在 2011 年 6 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，僅在大爆炸後約 8 億年。黑洞怎麼可能如此迅速地變得如此之大？
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如此快速的形成令人費解，因為儘管黑洞以其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運作。落向黑洞的氣體最終在一個巨大的圓盤中圍繞黑洞旋轉，這個圓盤被稱為吸積盤。物質升溫併發出輻射，尤其是在它接近圓盤內邊緣的不歸路點時。輻射會推開其他下落的物質，從而限制了黑洞通常透過吸積增長的速度。物理學家計算出，一個以最大速率連續吸入周圍物質的黑洞，每 5000 萬年質量就會翻一番。對於一個恆星質量的“種子”黑洞來說，在不到十億年的時間內成長為十億個太陽的怪物，這個速度太慢了。
天體物理學家提出了兩種形成種子黑洞的通用方法。多年來考慮的第一種方法假設最早的巨大黑洞確實是恆星的殘骸。宇宙中最早形成的恆星可能比後來出現的恆星（例如我們的太陽）質量大得多，因為原始氣體雲中沒有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，某種過程必須以比普通吸積更快的速度增加這些黑洞的質量。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並由此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透過更普通的吸積，也可能以其他較大的黑洞為食。
然而，一旦天文學家知道大型超大質量黑洞很早就存在，他們就開始懷疑恆星質量的黑洞是否能夠足夠快地變成超大質量，即使是以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，一大團氣體將塌縮以直接形成黑洞，一個比垂死恆星的產物更大的黑洞。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。這種直接塌縮在今天的宇宙中不會發生，但當宇宙年輕時，條件是不同的。
不幸的是，很難弄清楚這兩種情景中的哪一種發生了——種子黑洞是像垂死恆星的產物那樣從小處開始，還是相反，像氣體內爆的產物那樣從大處開始。儘管天文學家可以透過用望遠鏡向遠處眺望來窺視遙遠的過去，但他們仍然無法希望探測到正在形成的種子黑洞；即使是最大的種子也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 年才會發射。）因此，我的同事和我一直在追求另一種策略：尋找無論出於何種原因倖存至今而沒有成長為超大質量的剩餘種子。
如果種子黑洞是從恆星開始的，我們預計會在星系的中心和外圍都發現許多剩餘的種子，因為原始恆星可能在星系的任何地方死亡。我們還預計會發現從 100 到 100,000 個太陽的連續質量範圍，因為它們的生長可能會因缺乏食物而在達到超大質量狀態的任何階段被打斷。相比之下，如果種子主要透過直接氣體塌縮形成，那麼剩餘物應該非常罕見；直接塌縮過程，如果發生的話，發生頻率會低於普通的恆星死亡。我們不會發現質量範圍很廣，而是會發現大多數剩餘的種子黑洞都比 100,000 個太陽質量重（理論模型表明這可能是透過直接氣體塌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：所謂的中間質量或中等質量的黑洞。我們的目標是看看其普遍性和大小範圍是否更符合恆星塌縮模型或氣體塌縮模型。當我們在大約十年前開始這項工作時，它看起來並不有希望。天文學家只知道一箇中等質量的黑洞，並認為這是一個僥倖。但從那時起，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任意的，但它排除了最小的已知超大質量黑洞，例如銀河系的四百萬個太陽質量的黑洞。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從非常不確定開始——例如，幾年前，當我們改進我們的測量技術時，我們的第一批中等質量黑洞的質量都向上移動了大約 2 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，精確的邊界就無關緊要。我們迄今為止學到的知識已經為黑洞及其所在的星系之間的相互作用提供了新的視角。
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，恆星在星系中心極快地繞軌道執行是潛伏的超大質量黑洞的明顯跡象。然而，中等質量的黑洞太小，無法透過這種方式透過引力洩露它們的存在。相反，我們專注於“活躍”的黑洞——那些碰巧在吞噬東西的黑洞——因為熾熱的下落物質會發出大量的光。
經過數十年的研究，天文學家發現活躍的黑洞通常存在於特定型別的大星系中。星系，尤其是大質量星系，分為兩種主要型別。有些，像我們自己的星系一樣，有一個大的、旋轉的恆星盤。當從側面看時，這些盤星系看起來像餐盤。另一種型別，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的橢圓星系，稱為星系核球。活躍的黑洞最常見於大型橢圓星系和具有健康星系核球的盤星系中。天文學家觀察到的幾乎每一個足夠近以分辨的星系核球都證明存在著數百萬到數十億太陽質量的黑洞。此外，較大的星系核球具有較大的黑洞——黑洞的質量通常約為星系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的黑洞：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 1995 年為他的論文研究了大約 500 個最近的明亮星系。他發現，雖然大多數具有大星系核球的星系都包含活躍的黑洞，但沒有星系核球的星系則沒有——但有一個有趣的例外。NGC 4395 是一個盤星系，它有一個活躍的黑洞，但根本沒有星系核球。早在 1989 年，何自己的論文導師就注意到了這種奇特之處，但大多數研究人員認為這是一個異常現象。除了 NGC 4395，何的調查證實了更廣泛的規律：在沒有星系核球的星系中找不到黑洞。
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軌道的尺寸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，但這隻有當黑洞足夠大，以至於其引力的影響在天文學家對恆星運動的觀測中是可辨別的時才行。NGC 4395 中的黑洞太小了。
因此，天文學家必須依靠不太直接的線索。例如，來自活躍黑洞的 X 射線強度會隨著時間而變化，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·史和他的同事發現，來自 NGC 4395 的 X 射線強度變化如此之快，以至於它必定相對較小——最有可能在 10,000 到 100,000 個太陽質量之間。何在 2003 年也根據其他證據得出了大致相同的質量範圍。
對質量稍直接的測量來自 2005 年俄亥俄州立大學的布拉德利·M·彼得森和他的同事。他們使用了哈勃太空望遠鏡和一種稱為混響對映的技術，該技術依賴於像行星繞太陽一樣繞黑洞執行的氣體雲。來自雲層的光回波的時間提供了軌道的尺寸。彼得森及其公司得出結論，黑洞的質量約為 360,000 個太陽質量。然而，即使使用這種技術，由於輸入數字運算的假設，質量也存在很大的不確定性——高達 3 倍。
沒有星系核球的星系 NGC 4395 似乎恰好是我們正在尋找的那種中等質量黑洞。然而，在何檢查的 500 個星系中，它是唯一一個沒有星系核球但有明顯活躍黑洞證據的星系。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，這個星系也顯示出一些活躍黑洞的跡象，儘管它不是通常被懷疑藏有超大質量黑洞的星系（它是一種被稱為球狀星系的罕見型別，它與星系核球盤狀星系和橢圓星系不同）。
巴特將新的 POX 52 光譜傳送給何，何看了一眼就立即問巴特，“你在哪裡找到了如此美麗的 NGC 4395 光譜？”這兩個天體的光譜看起來如此相似，以至於何無法區分它們。（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藏有一個質量約為 100,000 個太陽的黑洞。沒有星系核球的星系中的中等質量黑洞現在形成了一個由兩個組成的類別。
當然，為了解決超大質量黑洞種子是如何形成的這個更大的問題，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？每個沒有星系核球的星系都包含一個黑洞嗎，還是大多數這樣的星系都沒有黑洞？這些中等質量的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不利於尋找活躍的中等質量黑洞。黑洞越大，它能吞噬的東西就越多，它能發出的光就越亮。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，也沒有形成新的恆星，從而為星系中心提供了清晰而無阻礙的視野。相比之下，以盤狀為主的星系（我們懷疑中等質量黑洞可能經常潛伏在那裡）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，何和我轉向了一個寶貴的資料庫，該資料庫旨在在宇宙乾草堆中尋找針——斯隆數字巡天。自 2000 年以來，這個專案位於新墨西哥州的專用望遠鏡拍攝了天空四分之一以上的影像，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 個與 NGC 4395 相似的新候選者——包含活躍黑洞的小星系，我們估計這些黑洞的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打質量小於一百萬個太陽的黑洞，以及一百多個剛剛超過一百萬個太陽閾值的黑洞。
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，天文學家從觀察一百萬到十億太陽範圍內的活躍黑洞中知道，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）。外推到質量稍低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根據 NGC 4395 和 POX 52 預期的結果：存在更廣泛的中等質量黑洞群體。同樣符合預期的是，它們優先在沒有星系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（我們眼睛可以看到的波長範圍），塵埃雲很可能將許多黑洞隱藏起來。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、無線電和中紅外線。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沒有星系核球的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會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 射線和無線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，並且確認這些候選者的後續觀測仍在繼續。
這些結果表明，光學搜尋確實忽略了許多沒有星系核球的星系，這些星系將其質量中等的黑洞隱藏在塵埃後面——但不足以使中等質量的黑洞變得常見。結論尚未最終確定，但可能只有 5% 到 25% 的沒有星系核球的星系藏有足夠大以至於可以探測到的中等質量黑洞。
增長的星系和黑洞
對沒有星系核球的星系中中等質量黑洞的觀測可能有助於解釋較大的黑洞與大型星系核球之間的聯絡。正如我之前提到的，大型星系核球星系中的超大質量黑洞的質量往往約為星系核球質量的千分之一。超大質量黑洞的增長似乎與周圍星系核球的增長密切相關。如果在星系核球形成期間建立黑洞和星系之間的相關性，那麼沒有星系核球的星系的特性與其質量中等的黑洞之間應該沒有相關性。
解釋這種在星系核球星系中產生的緊密相關性的主要理論是這樣的：當盤星系合併時，橢圓星系和大型星系核球形成。在合併期間，引力會攪動星盤，因此恆星不再在星盤中軌道執行，而是在一個球體（新的橢圓或星系核球形狀）中隨機移動。氣體雲在合併期間碰撞，並被引導到星系核球中心，從而引發主要的恆星形成爆發，從而增加了星系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，大型星系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增長和演化。到黑洞質量達到星系核球質量的千分之一左右時，它的吹葉機方面就顯現出來了，將剩餘的氣體推出星系中心，結束了增長爆發。
沒有星系核球的星系（如 NGC 4395）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，它們將是剩餘的種子，它們只是透過星系中心更偶然的氣體餐才得以增長——這些零食與塑造星系整體演化的事件無關。一些沒有星系核球的星系可能根本不會增長出黑洞。純盤星系 M33（一個在物理外觀上與 NGC 4395 非常相似的星系）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，即黑洞的增長與星系核球的形成有關，但許多細節仍有待完善，並且情況尚未完全確定。
關於黑洞種子最初是如何形成的問題，中等質量黑洞的稀有性為早期宇宙中氣體雲直接塌縮的理論增添了分量。如果恆星塌縮解釋了最早的種子，我們預計幾乎所有這些星系在其中心都包含一個質量至少為 10,000 個太陽的黑洞。然而，似乎大多數小型沒有星系核球的星系在其中心都不包含這樣的黑洞。
其他證據也指向直接塌縮情景。特別是，中等質量黑洞的質量與其宿主星系質量的弱相關性更接近該情景的預測。如果種子從一開始就很大，那麼在數億年內製造一個十億太陽質量的黑洞要容易得多。
當然，隨著更多資料的湧入，迄今為止得出的結論可能會改變。例如，如果天文學家觀察比斯隆巡天光譜中的星系稍暗的星系，那麼具有中等質量黑洞的星系的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，這在 blogs.scientificamerican.com/life-unbounded/2012/09/20/black-hole-roundup 中有詳細描述。
目前，關於中等質量黑洞的許多關鍵問題仍然懸而未決。它們在特定型別的小星系中更常見嗎？（這種相關性可能暗示即使在產生星系核球和超大質量黑洞的合併之前，黑洞及其宿主星系相互作用的新方式。）大多數沒有星系核球的星系完全缺乏中等質量黑洞，還是它們有黑洞只是稍微太小而無法迄今為止被探測到——可能在 1,000 個太陽質量範圍內？（這些黑洞肯定是從垂死恆星的殘骸中生長出來的，而不是透過直接氣體塌縮形成的。）或者，所有沒有星系核球的星系都擁有巨大的 10,000 到 100,000 個太陽質量的黑洞，儘管它們中的大多數碰巧沒有進食和噴射出 X 射線和光？（這將改變中等質量黑洞罕見的結論。）答案可能會將天體物理學家的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。