十多年来，天文学家们已经知道，几乎每个大型星系的中心都包含一个巨大的黑洞——一种引力极其强大，甚至连光都无法逃脱的天体。恒星的死亡会产生小黑洞——质量范围从太阳质量的约三倍到一百倍不等——但与星系中心的庞然大物相比，这种恒星质量的黑洞微不足道，后者的质量可达太阳质量的数百万到数十亿倍。
这些超大质量黑洞提出了重大的谜题：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？
由于超大质量黑洞在宇宙非常年轻时就已经存在，因此这个谜团更加复杂。例如，在 2011 年 6 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，仅在大爆炸后约 8 亿年。黑洞怎么可能如此迅速地变得如此之大？
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如此快速的形成令人费解，因为尽管黑洞以其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运作。落向黑洞的气体最终在一个巨大的圆盘中围绕黑洞旋转，这个圆盘被称为吸积盘。物质升温并发出辐射，尤其是在它接近圆盘内边缘的不归路点时。辐射会推开其他下落的物质，从而限制了黑洞通常通过吸积增长的速度。物理学家计算出，一个以最大速率连续吸入周围物质的黑洞，每 5000 万年质量就会翻一番。对于一个恒星质量的“种子”黑洞来说，在不到十亿年的时间内成长为十亿个太阳的怪物，这个速度太慢了。
天体物理学家提出了两种形成种子黑洞的通用方法。多年来考虑的第一种方法假设最早的巨大黑洞确实是恒星的残骸。宇宙中最早形成的恒星可能比后来出现的恒星（例如我们的太阳）质量大得多，因为原始气体云中没有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，某种过程必须以比普通吸积更快的速度增加这些黑洞的质量。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并由此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通过更普通的吸积，也可能以其他较大的黑洞为食。
然而，一旦天文学家知道大型超大质量黑洞很早就存在，他们就开始怀疑恒星质量的黑洞是否能够足够快地变成超大质量，即使是以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，一大团气体将塌缩以直接形成黑洞，一个比垂死恒星的产物更大的黑洞。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。这种直接塌缩在今天的宇宙中不会发生，但当宇宙年轻时，条件是不同的。
不幸的是，很难弄清楚这两种情景中的哪一种发生了——种子黑洞是像垂死恒星的产物那样从小处开始，还是相反，像气体内爆的产物那样从大处开始。尽管天文学家可以通过用望远镜向远处眺望来窥视遥远的过去，但他们仍然无法希望探测到正在形成的种子黑洞；即使是最大的种子也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 年才会发射。）因此，我的同事和我一直在追求另一种策略：寻找无论出于何种原因幸存至今而没有成长为超大质量的剩余种子。
如果种子黑洞是从恒星开始的，我们预计会在星系的中心和外围都发现许多剩余的种子，因为原始恒星可能在星系的任何地方死亡。我们还预计会发现从 100 到 100,000 个太阳的连续质量范围，因为它们的生长可能会因缺乏食物而在达到超大质量状态的任何阶段被打断。相比之下，如果种子主要通过直接气体塌缩形成，那么剩余物应该非常罕见；直接塌缩过程，如果发生的话，发生频率会低于普通的恒星死亡。我们不会发现质量范围很广，而是会发现大多数剩余的种子黑洞都比 100,000 个太阳质量重（理论模型表明这可能是通过直接气体塌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：所谓的中间质量或中等质量的黑洞。我们的目标是看看其普遍性和大小范围是否更符合恒星塌缩模型或气体塌缩模型。当我们在大约十年前开始这项工作时，它看起来并不有希望。天文学家只知道一个中等质量的黑洞，并认为这是一个侥幸。但从那时起，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任意的，但它排除了最小的已知超大质量黑洞，例如银河系的四百万个太阳质量的黑洞。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从非常不确定开始——例如，几年前，当我们改进我们的测量技术时，我们的第一批中等质量黑洞的质量都向上移动了大约 2 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，精确的边界就无关紧要。我们迄今为止学到的知识已经为黑洞及其所在的星系之间的相互作用提供了新的视角。
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，恒星在星系中心极快地绕轨道运行是潜伏的超大质量黑洞的明显迹象。然而，中等质量的黑洞太小，无法通过这种方式通过引力泄露它们的存在。相反，我们专注于“活跃”的黑洞——那些碰巧在吞噬东西的黑洞——因为炽热的下落物质会发出大量的光。
经过数十年的研究，天文学家发现活跃的黑洞通常存在于特定类型的大星系中。星系，尤其是大质量星系，分为两种主要类型。有些，像我们自己的星系一样，有一个大的、旋转的恒星盘。当从侧面看时，这些盘星系看起来像餐盘。另一种类型，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的椭圆星系，称为星系核球。活跃的黑洞最常见于大型椭圆星系和具有健康星系核球的盘星系中。天文学家观察到的几乎每一个足够近以分辨的星系核球都证明存在着数百万到数十亿太阳质量的黑洞。此外，较大的星系核球具有较大的黑洞——黑洞的质量通常约为星系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的黑洞：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 1995 年为他的论文研究了大约 500 个最近的明亮星系。他发现，虽然大多数具有大星系核球的星系都包含活跃的黑洞，但没有星系核球的星系则没有——但有一个有趣的例外。NGC 4395 是一个盘星系，它有一个活跃的黑洞，但根本没有星系核球。早在 1989 年，何自己的论文导师就注意到了这种奇特之处，但大多数研究人员认为这是一个异常现象。除了 NGC 4395，何的调查证实了更广泛的规律：在没有星系核球的星系中找不到黑洞。
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轨道的尺寸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，但这只有当黑洞足够大，以至于其引力的影响在天文学家对恒星运动的观测中是可辨别的时才行。NGC 4395 中的黑洞太小了。
因此，天文学家必须依靠不太直接的线索。例如，来自活跃黑洞的 X 射线强度会随着时间而变化，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·史和他的同事发现，来自 NGC 4395 的 X 射线强度变化如此之快，以至于它必定相对较小——最有可能在 10,000 到 100,000 个太阳质量之间。何在 2003 年也根据其他证据得出了大致相同的质量范围。
对质量稍直接的测量来自 2005 年俄亥俄州立大学的布拉德利·M·彼得森和他的同事。他们使用了哈勃太空望远镜和一种称为混响映射的技术，该技术依赖于像行星绕太阳一样绕黑洞运行的气体云。来自云层的光回波的时间提供了轨道的尺寸。彼得森及其公司得出结论，黑洞的质量约为 360,000 个太阳质量。然而，即使使用这种技术，由于输入数字运算的假设，质量也存在很大的不确定性——高达 3 倍。
没有星系核球的星系 NGC 4395 似乎恰好是我们正在寻找的那种中等质量黑洞。然而，在何检查的 500 个星系中，它是唯一一个没有星系核球但有明显活跃黑洞证据的星系。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，这个星系也显示出一些活跃黑洞的迹象，尽管它不是通常被怀疑藏有超大质量黑洞的星系（它是一种被称为球状星系的罕见类型，它与星系核球盘状星系和椭圆星系不同）。
巴特将新的 POX 52 光谱发送给何，何看了一眼就立即问巴特，“你在哪里找到了如此美丽的 NGC 4395 光谱？”这两个天体的光谱看起来如此相似，以至于何无法区分它们。（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藏有一个质量约为 100,000 个太阳的黑洞。没有星系核球的星系中的中等质量黑洞现在形成了一个由两个组成的类别。
当然，为了解决超大质量黑洞种子是如何形成的这个更大的问题，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？每个没有星系核球的星系都包含一个黑洞吗，还是大多数这样的星系都没有黑洞？这些中等质量的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不利于寻找活跃的中等质量黑洞。黑洞越大，它能吞噬的东西就越多，它能发出的光就越亮。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，也没有形成新的恒星，从而为星系中心提供了清晰而无阻碍的视野。相比之下，以盘状为主的星系（我们怀疑中等质量黑洞可能经常潜伏在那里）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，何和我转向了一个宝贵的数据库，该数据库旨在在宇宙干草堆中寻找针——斯隆数字巡天。自 2000 年以来，这个项目位于新墨西哥州的专用望远镜拍摄了天空四分之一以上的图像，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 个与 NGC 4395 相似的新候选者——包含活跃黑洞的小星系，我们估计这些黑洞的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打质量小于一百万个太阳的黑洞，以及一百多个刚刚超过一百万个太阳阈值的黑洞。
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，天文学家从观察一百万到十亿太阳范围内的活跃黑洞中知道，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）。外推到质量稍低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根据 NGC 4395 和 POX 52 预期的结果：存在更广泛的中等质量黑洞群体。同样符合预期的是，它们优先在没有星系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（我们眼睛可以看到的波长范围），尘埃云很可能将许多黑洞隐藏起来。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、无线电和中红外线。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没有星系核球的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会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 射线和无线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，并且确认这些候选者的后续观测仍在继续。
这些结果表明，光学搜索确实忽略了许多没有星系核球的星系，这些星系将其质量中等的黑洞隐藏在尘埃后面——但不足以使中等质量的黑洞变得常见。结论尚未最终确定，但可能只有 5% 到 25% 的没有星系核球的星系藏有足够大以至于可以探测到的中等质量黑洞。
增长的星系和黑洞
对没有星系核球的星系中中等质量黑洞的观测可能有助于解释较大的黑洞与大型星系核球之间的联系。正如我之前提到的，大型星系核球星系中的超大质量黑洞的质量往往约为星系核球质量的千分之一。超大质量黑洞的增长似乎与周围星系核球的增长密切相关。如果在星系核球形成期间建立黑洞和星系之间的相关性，那么没有星系核球的星系的特性与其质量中等的黑洞之间应该没有相关性。
解释这种在星系核球星系中产生的紧密相关性的主要理论是这样的：当盘星系合并时，椭圆星系和大型星系核球形成。在合并期间，引力会搅动星盘，因此恒星不再在星盘中轨道运行，而是在一个球体（新的椭圆或星系核球形状）中随机移动。气体云在合并期间碰撞，并被引导到星系核球中心，从而引发主要的恒星形成爆发，从而增加了星系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，大型星系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增长和演化。到黑洞质量达到星系核球质量的千分之一左右时，它的吹叶机方面就显现出来了，将剩余的气体推出星系中心，结束了增长爆发。
没有星系核球的星系（如 NGC 4395）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，它们将是剩余的种子，它们只是通过星系中心更偶然的气体餐才得以增长——这些零食与塑造星系整体演化的事件无关。一些没有星系核球的星系可能根本不会增长出黑洞。纯盘星系 M33（一个在物理外观上与 NGC 4395 非常相似的星系）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，即黑洞的增长与星系核球的形成有关，但许多细节仍有待完善，并且情况尚未完全确定。
关于黑洞种子最初是如何形成的问题，中等质量黑洞的稀有性为早期宇宙中气体云直接塌缩的理论增添了分量。如果恒星塌缩解释了最早的种子，我们预计几乎所有这些星系在其中心都包含一个质量至少为 10,000 个太阳的黑洞。然而，似乎大多数小型没有星系核球的星系在其中心都不包含这样的黑洞。
其他证据也指向直接塌缩情景。特别是，中等质量黑洞的质量与其宿主星系质量的弱相关性更接近该情景的预测。如果种子从一开始就很大，那么在数亿年内制造一个十亿太阳质量的黑洞要容易得多。
当然，随着更多数据的涌入，迄今为止得出的结论可能会改变。例如，如果天文学家观察比斯隆巡天光谱中的星系稍暗的星系，那么具有中等质量黑洞的星系的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，这在 blogs.scientificamerican.com/life-unbounded/2012/09/20/black-hole-roundup 中有详细描述。
目前，关于中等质量黑洞的许多关键问题仍然悬而未决。它们在特定类型的小星系中更常见吗？（这种相关性可能暗示即使在产生星系核球和超大质量黑洞的合并之前，黑洞及其宿主星系相互作用的新方式。）大多数没有星系核球的星系完全缺乏中等质量黑洞，还是它们有黑洞只是稍微太小而无法迄今为止被探测到——可能在 1,000 个太阳质量范围内？（这些黑洞肯定是从垂死恒星的残骸中生长出来的，而不是通过直接气体塌缩形成的。）或者，所有没有星系核球的星系都拥有巨大的 10,000 到 100,000 个太阳质量的黑洞，尽管它们中的大多数碰巧没有进食和喷射出 X 射线和光？（这将改变中等质量黑洞罕见的结论。）答案可能会将天体物理学家的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。