天文学家们大约在10年前就已知道，几乎每个大型星系的中心都包含一个巨大的黑洞——一种具有如此强烈引力的天体，甚至连光都无法逃脱。恒星的死亡会产生小型黑洞——质量范围约为太阳质量的3到100倍——但与星系中心的庞然大物相比，这种恒星质量黑洞微不足道，后者的质量可达数百万到数十亿个太阳质量。
这些超大质量黑洞提出了主要的难题：为什么它们在星系中如此常见？是先有星系还是先有黑洞？它们最初是如何形成的？
当宇宙还非常年轻时，超大质量黑洞就已经存在，这使得谜团更加复杂。例如，去年六月，天文学家报告了迄今为止探测到的最早的例子——一个大约20亿个太阳质量的黑洞，它存在于130亿年前，仅在大爆炸后7.7亿年。黑洞怎么能如此迅速地变得如此巨大？
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如此快速的形成令人费解，因为尽管黑洞以强大的真空吸尘器而闻名，但它们也可能像巨大的吹叶机一样。落向黑洞的气体最终在黑洞周围巨大的盘中旋转，即所谓的吸积盘。物质升温并发出辐射，尤其是在接近盘内缘的“不归路”点时。辐射会推开其他下落的物质，限制了黑洞通常通过吸积增长的速度。物理学家计算出，一个以最大速率不断吸入周围物质的黑洞，其质量每5000万年就会翻一番。这对于一个恒星质量的“种子”黑洞来说太慢了，无法在不到十亿年的时间内成长为数十亿太阳质量的怪物。
天体物理学家提出了两种种子黑洞形成的一般方式。第一种，多年来一直被考虑，假设最早的巨型黑洞确实是恒星的遗骸。宇宙中最早形成的恒星很可能比后来出现的恒星（如我们的太阳）质量大得多，因为原始气体云中不含帮助气体冷却和形成较小团块的元素。这些大恒星会很快燃尽并产生质量可能是太阳质量100倍的黑洞。然后，某种过程必须比普通吸积更快地增大这些黑洞的质量。例如，如果一个大黑洞在一个密集的星团中形成，它最终会靠近星团中心，与其他大质量恒星和黑洞在一起。然后，它可以通过吞噬其他黑洞，从而突破通常的进食限制，迅速增长到10,000个太阳质量。进一步增长到超大质量规模可能是通过更普通的吸积，也可能包括其他较大的黑洞。
然而，一旦天文学家知道大型超大质量黑洞在非常早期就已存在，他们就开始怀疑恒星质量黑洞是否能够足够快地变成超大质量黑洞，即使是从这种加速增长开始生命。人们开始寻找产生种子黑洞的替代方法，这些方法将产生比恒星死亡时可能形成的黑洞更大的黑洞。
研究人员提出了通过跳过中间环节（恒星）来制造更大种子的模型。相反，一大团气体云会坍缩直接形成一个黑洞，这个黑洞比一颗死星的产物更大。通过制造质量为10,000到100,000个太阳的种子，这个过程在一定程度上缓解了早期形成超大质量黑洞的时间紧迫性。这种直接坍缩在今天的宇宙中不会发生，但当宇宙还年轻时，条件是不同的。
不幸的是，很难弄清楚这两种情况中的哪一种发生了——种子黑洞是像垂死恒星的产物那样从小开始，还是相反，像气体内爆的产物那样从较大开始。尽管天文学家可以通过望远镜远眺广阔的距离来窥探遥远的过去，但他们还无法指望探测到正在形成的种子黑洞；即使是最大的种子也会太小而无法在如此遥远的地方被看到。（詹姆斯·韦伯太空望远镜可能会揭示它们，但它要到2018年才能发射，而且必须在政治上关于其资金的争夺中幸存下来。）因此，我和我的同事一直在追求另一种策略：寻找遗留下来的种子，这些种子由于某种原因幸存至今，而没有长成超大质量黑洞。
如果种子黑洞最初是恒星，我们预计会在星系的中心和外围都发现许多遗留下来的种子，因为原始恒星可能在星系中的任何地方死亡。我们还预计会发现质量从100到100,000个太阳的连续范围，因为它们在达到超大质量状态的任何阶段都可能因缺乏食物而中断生长。相比之下，如果种子主要通过直接气体坍缩形成，那么遗留下来的种子应该非常罕见；直接坍缩过程，如果它发生过，发生的频率会低于普通的恒星死亡。我们不会发现质量范围很广，而是会发现大多数遗留下来的种子黑洞都比100,000个太阳质量更重（理论模型表明，这很可能是通过直接气体坍缩形成的种子的典型质量）。
因此，其他天文学家和我一直在天空中搜寻一种新型黑洞，既不是恒星质量的，也不是超大质量的，而是介于两者之间的：所谓的中间质量或中等质量黑洞。我们的目的是看看它们的普遍性和尺寸范围是否更符合恒星坍缩或气体坍缩模型。当我们大约十年前开始这项工作时，情况看起来并不乐观。天文学家只知道一个中等质量黑洞，并认为这是一个侥幸。然而，从那时起，我们已经发现了数百个。
什么算是“中等质量”？在这里，我将其定义为估计质量在1,000到200万个太阳之间的黑洞。这个上限在某种程度上是武断的，但它排除了最小的众所周知的超大质量黑洞，例如银河系的400万太阳质量黑洞。无论如何，边界本质上是模糊的。在实践中，对黑洞质量的测量通常一开始非常不确定——例如，当我们改进测量技术后，我们第一批中等质量黑洞的质量都在几年前向上移动了大约两倍。只要我们研究从低超大质量范围向下延伸的整个黑洞群体，精确的边界并不重要。到目前为止，我们所学到的知识已经为我们提供了关于黑洞与其所在的星系之间相互作用的新视角。
难以捉摸的中等质量黑洞
黑洞可以通过多种方式显露自己。例如，恒星在星系中心极速旋转的轨道是潜伏的超大质量黑洞的明显迹象。然而，中等质量黑洞太微不足道了，无法通过这种方式通过引力来暴露它们的存在。相反，我们专注于“活跃”黑洞——那些恰好在吞噬物质的黑洞——因为炽热的下落物质会发出大量的光。
经过数十年的研究，天文学家发现活跃黑洞通常存在于某种类型的大型星系中。星系，尤其是大质量星系，通常分为两种类型。一些星系，例如我们自己的星系，有一个大型的、旋转的恒星盘。当从侧面看时，这些盘星系看起来像餐盘。另一种椭圆星系基本上是恒星球。一些盘星系实际上在其中心有小型椭圆星系，称为星系核球。活跃黑洞最常见于大型椭圆星系和具有健康核球的盘星系中。天文学家观察到的几乎每一个足够近以至于可以分辨出来的星系核球，最终都被证明藏有一个质量为数百万到数十亿个太阳质量的黑洞。此外，更大的核球有更大的黑洞——黑洞的质量通常约为核球质量的千分之一。这种令人惊讶的相关性本身就是一个谜，这意味着星系和超大质量黑洞以天体物理学家尚未理解的方式共同演化。更平淡地说，这种模式暗示了在哪里寻找中等质量黑洞：在最小的星系中。但是哪些星系呢？
一个非常令人费解的小星系提供了一个想法。我的论文导师，卡内基天文台的路易斯·C·何，在他1995年的论文中研究了大约500个最近的明亮星系。他发现，虽然大多数具有大核球的星系都包含活跃黑洞，但没有核球的星系则没有——只有一个有趣的例外。NGC 4395是一个盘星系，它有一个活跃黑洞，但根本没有核球。何自己的论文导师早在1989年就注意到了这种异常现象，但大多数研究人员认为这是一个异常值。除了NGC 4395，何的调查证实了一个更广泛的规律：在无核球星系中没有发现黑洞。
准确估计NGC 4395中黑洞的质量是一个挑战。天文学中最直接的质量测量涉及测量轨道运动。例如，行星的速度及其绕太阳运行的轨道大小使我们能够计算太阳的质量。同样，星系中恒星的轨道可以揭示黑洞的质量，但这只有在黑洞足够大，以至于其引力的影响在天文学家对恒星运动的观测中可以辨别出来时才行。NGC 4395中的黑洞太小了。
因此，天文学家必须依赖不太直接的线索。例如，来自活跃黑洞的X射线强度随时间变化，黑洞越大，这些变化发生得越慢。2003年，当时在剑桥大学的大卫·C·石和他的同事发现，来自NGC 4395的X射线强度变化如此之快，以至于它一定相对较小——最有可能在10,000到100,000个太阳质量之间。何在2003年基于其他证据也得出了大致相同的质量范围。
2005年，来自俄亥俄州立大学的布拉德利·M·彼得森和他的同事们对质量进行了稍微更直接的测量。他们使用了哈勃太空望远镜和一种称为混响映射的技术，该技术依赖于围绕黑洞运行的气体云，类似于使用围绕太阳运行的行星。来自云的光的回声时间提供了轨道的尺寸。彼得森及其公司得出结论，黑洞大约有360,000个太阳质量。然而，即使使用这种技术，质量也存在很大的不确定性——高达三倍的因子——因为假设会影响数字运算。
无核球星系NGC 4395似乎恰好是我们正在寻找的那种中等质量黑洞的主星系。然而，在何检查的500个星系中，它是唯一一个有明确证据表明存在活跃黑洞的无核球星系。第二个是在2002年发现的。当时在加州理工学院的艾伦·J·巴特使用夏威夷的凯克II望远镜拍摄了一个奇特但很少研究的星系POX 52的光谱。与NGC 4395一样，即使这个星系不是通常被怀疑拥有超大质量黑洞的星系（它是一种罕见的类型，称为球状星系，与核球盘星系和椭圆星系不同），它也显示出一些活跃黑洞的迹象。
巴特将新的POX 52光谱发送给何，何看了一眼，立即问巴特：“你在哪里找到了如此美丽的NGC 4395光谱？”这两个物体的光谱看起来非常相似，以至于何无法将它们区分开来。（光谱中的特征表明黑洞的存在。）
由于POX 52距离我们3亿光年（比NGC 4395远20倍），天文学家对其黑洞的质量估计相当不直接。尽管如此，各种证据都表明该星系拥有大约100,000个太阳质量的黑洞。无核球星系中的中等质量黑洞现在构成了一类，共有两个。
当然，为了解决超大质量黑洞种子是如何形成的更大问题，我们需要更多的中等质量样本来回答许多基本问题：中等质量黑洞有多常见？每个无核球星系都包含一个吗，还是大多数这样的星系没有黑洞？这些中等质量黑洞还会出现在其他地方吗？是否有比最初发现的这两个更小的样本等待被发现？只有通过回答这些问题，我们才能了解种子黑洞是如何形成的，以及它们在早期宇宙中扮演了什么角色。
梳理黑洞
不幸的是，天文学家的标准技术对寻找活跃的中等质量黑洞有偏见。黑洞越大，它能吞噬的物质就越多，它就能发出越明亮的光。小黑洞很暗淡，因此更难找到。但情况变得更糟。大型黑洞倾向于出现的椭圆星系表现得非常好。这些星系没有太多气体，也不在制造新的恒星，这使得星系中心有一个清晰而畅通的视野。相比之下，以盘为主的星系（就像我们怀疑中等质量黑洞可能经常潜伏的地方一样）通常正在形成恒星，年轻的星光以及相关的气体和尘埃会隐藏活跃的黑洞。
为了克服这些障碍，在2004年，何和我求助于一个旨在在宇宙干草堆中寻找针的宝贵数据图书馆——斯隆数字巡天。自2000年以来，这个项目在新墨西哥州的专用望远镜拍摄了超过四分之一天空的图像，并记录了数百万颗恒星和星系的光谱。
我们梳理了200,000个星系光谱，发现了19个新的候选者，它们类似于NGC 4395——小型星系，其中包含活跃黑洞，我们估计其质量小于一百万个太阳。过去几年中，使用更新的斯隆巡天数据的类似搜索已将总数扩大到大约三个几十个质量小于一百万个太阳的黑洞，以及超过一百个刚刚超过百万太阳阈值的黑洞。
用于估计这些质量的方法相对间接。斯隆光光谱告诉我们围绕黑洞运行的热气体的速度。这只是直接计算黑洞质量所需信息的一半（另一半是轨道大小）。尽管如此，天文学家从观察百万到十亿太阳范围内的活跃黑洞中了解到，气体速度通常如何随黑洞质量变化（黑洞越小，气体速度越慢）。外推到质量稍小的黑洞，使我们能够从斯隆数据中挑选出我们的小家伙。
这些搜索证实了我们基于NGC 4395和POX 52的预期：存在更广泛的中等质量黑洞群体。同样符合预期的是，它们优先在没有核球的星系中被发现。然而，这些黑洞似乎仍然非常罕见。在斯隆巡天中足够明亮以供研究的星系中，每2,000个星系中只有一个显示出活跃中等质量黑洞的证据。
然而，斯隆搜索可能会遗漏许多黑洞。它们完全依赖于可见光（我们的眼睛可以看到的波长范围），尘埃云很可能正在隐藏许多黑洞的视线。为了绕过这一点，天文学家正在使用可以穿透尘埃的光波长，例如X射线、射电和中红外线。乔治梅森大学的Shobita Satyapal和她的合作者一直在使用中红外光来寻找无核球星系中隐藏的活跃黑洞的迹象。来自坠入活跃黑洞的物质的极端紫外线会严重破坏周围的气体，产生不寻常的物质，例如高度电离氖的激发态。来自这些离子的排放将在中红外光谱中留下特征指纹。只有少数星系适合这种搜索，Satyapal的团队只发现了几个新的活跃中等质量黑洞。天文学家还在X射线和射电波长中看到了可能的中等质量或小型超大质量黑洞的迹象，并且继续进行后续观测以确认这些候选者。
这些结果表明，光学搜索确实忽略了许多将其质量中等的黑洞隐藏在尘埃后面的无核球星系——但不足以使中等质量黑洞变得常见。结论尚未确定，但也许只有5%到25%的无核球星系拥有足够大到可以探测到的中等质量黑洞。
星系和黑洞的成长
对无核球星系中中等质量黑洞的观测可能有助于解释较大的黑洞和大型核球之间的联系。正如我之前提到的，大质量核球星系中的超大质量黑洞的质量往往约为核球质量的千分之一。超大质量黑洞的增长似乎与周围核球的增长密切相关。如果在核球形成过程中建立黑洞和星系之间的相关性，那么无核球星系的性质与其质量中等的黑洞之间应该没有相关性。
解释这种密切相关性如何在核球星系中产生的领先理论是这样的：当盘星系合并时，会形成椭圆星系和大型核球。在合并过程中，引力会搅动星盘，因此恒星不再在星盘中运行，而是在一个球体（新的椭圆或核球形状）中随机移动。气体云在合并期间碰撞，并被漏斗到核球中心，引发主要的恒星形成爆发，这增加了核球中恒星的总质量。与此同时，来自每个星系的黑洞合并在一起，并吞噬星系中心的一些新气体。通过这种方式，大型核球和超大质量黑洞可以通过星系合并中发生的这些大规模过程共同成长和演化。当黑洞的质量达到核球质量的约千分之一时，其吹叶机特性就会凸显出来，将剩余的气体推出星系中心，并结束生长突增。
像NGC 4395这样的无核球星系中的中等质量黑洞永远不会从这些有组织的盛宴中受益。相反，它们将是遗留下来的种子，仅通过星系中心更偶然的气体餐来生长——这些零食与塑造星系整体演化的事件无关。一些没有核球的星系可能根本不会长成黑洞。纯盘星系M33（一个在物理外观上非常像NGC 4395的星系）就是这种情况，它非常清楚地不包含质量超过1,500个太阳的黑洞。越来越多的证据支持这种观点，将黑洞的生长与核球的形成联系起来，但许多细节仍有待完善，情况尚未完全确定。
关于种子黑洞最初是如何形成的问题，中等质量黑洞的稀有性增加了早期宇宙中气体云直接坍缩理论的分量。如果恒星坍缩解释了最早的种子，我们预计几乎所有这些星系都将在其中心包含一个至少10,000个太阳质量的黑洞。然而，似乎大多数小型无核球星系的中心都不包含这样的黑洞。
其他证据也指向直接坍缩情景。特别是，中等质量黑洞的质量与其宿主星系质量之间的弱相关性更接近于该情景的预测。如果种子从一开始就很重，那么在数亿年内制造一个十亿太阳质量的黑洞就容易得多。
当然，随着更多数据的到来，到目前为止得出的结论可能会发生变化。例如，如果天文学家观察比斯隆巡天中光谱略暗的星系，则具有中等质量黑洞的星系比例可能会上升或下降。并且一些星系可能在星系中心之外包含中等质量黑洞。事实上，对中等质量黑洞的搜索仍在许多方面继续进行，正如www.ScientificAmerican.com/jan2012/black-holes中详细描述的那样。
目前，关于中等质量黑洞的许多关键问题仍然悬而未决。中等质量黑洞在特定类型的小型星系中是否更常见？（这种相关性可能暗示黑洞及其宿主星系之间甚至在产生核球和超大质量黑洞的合并之前就存在相互作用的新方式。）大多数无核球星系是否完全缺乏中等质量黑洞，还是它们具有刚刚稍微太小而无法检测到的黑洞——可能在1,000个太阳质量的范围内？（这些黑洞肯定是从死星的遗骸中生长出来的，而不是通过直接气体坍缩形成的。）或者，所有无核球星系是否都拥有庞大的10,000到100,000个太阳质量的黑洞，尽管它们中的大多数恰好没有吞噬和喷射出X射线和光？（这将改变中等质量黑洞稀有的结论。）答案可能会将天体物理学家关于星系和黑洞种子最初是如何形成的理论推向截然不同的方向。