如何看待科学家称首次发现中等质量黑洞?
黑洞的家族：从小到大，中间的空白
我们目前对黑洞的了解，主要集中在两个“尺寸”上：
恒星级黑洞 (Stellarmass black holes)： 这是我们最常见、也最容易理解的黑洞类型。它们是由大质量恒星在生命末期发生超新星爆发后，核心坍缩形成的。它们的质量大约是太阳质量的几倍到几十倍。我们通过观测它们吸积周围物质时发出的X射线辐射，或者它们对附近恒星轨道的引力影响来探测它们。
超大质量黑洞 (Supermassive black holes)： 这些家伙就庞大多了，质量可以达到太阳质量的数百万倍甚至数十亿倍。它们通常潜伏在星系的中心，包括我们自己的银河系。它们是如何形成的，至今仍是科学家们研究的热点，但普遍认为是通过物质不断吸积、恒星级黑洞合并，或者在早期宇宙中由巨大的气体云直接坍缩形成。
问题就出在这中间——中等质量黑洞 (Intermediatemass black holes, IMBHs)。它们理论上应该存在，质量介于恒星级黑洞和超大质量黑洞之间，大约是太阳质量的数百倍到数十万倍。就像生物学上的“缺失环节”一样，天文学家们长期以来一直在寻找它们，因为它们可能扮演着连接恒星级黑洞和超大质量黑洞演化桥梁的关键角色。
为什么寻找中等质量黑洞如此困难？
寻找IMBHs的难度主要在于：
1. 数量相对稀少，分布分散： 它们不像超大质量黑洞那样集中在星系中心，而是可能散布在星系中，或者存在于更小的、较不活跃的星系中。
2. 探测信号微弱： 它们的质量不够大，产生的引力影响和吸积盘辐射可能比超大质量黑洞弱很多，更容易被背景噪声淹没。
3. 缺乏明确的形成机制： 它们是如何形成的？是很多恒星级黑洞合并的结果？还是在古老星团中形成的？亦或是宇宙早期形成的种子黑洞？这些问题不清楚，就意味着我们很难知道应该去哪里、用什么方法去寻找。
这次“发现”的意义和可能的证据
如果科学家们这次声称的发现是确凿的，那么它的意义将是巨大的。这可能意味着：
填补了黑洞演化的重要拼图： IMBHs的存在，将帮助我们理解恒星级黑洞是如何成长为超大质量黑洞的。它们可能是超大质量黑洞的“胚胎”或“幼体”，通过不断吞噬周围的恒星和气体，或者与其他黑洞合并，最终成长为星系中心的巨无霸。
理解星团的形成和演化： 理论上，一些IMBHs可能形成于密集恒星簇（如球状星团）的中心。如果能在星团中找到IMBHs，将有助于我们理解这些古老、紧凑的天体是如何形成和演化的，以及它们在星系中的作用。
宇宙早期黑洞形成机制的新线索： 如果IMBHs在宇宙早期就已存在，这可能意味着除了我们目前已知的机制外，还有其他途径可以形成黑洞，这对于理解宇宙的黎明时期至关重要。
那么，这次科学家们具体发现了什么？
具体的细节会随着科学报告的发布而更加清晰，但通常，这类发现会基于以下几种观测证据：
X射线暂现源 (Xray transients)： 类似于恒星级黑洞，IMBHs也会吸积周围物质，形成吸积盘，并发出强烈的X射线。如果科学家们在不寻常的地点（比如并非星系中心，而是富含恒星的区域或星团）观测到高能X射线爆发，且其特征（如光变曲线、能谱）符合IMBH的预期，那就可能是一个重要的线索。
恒星轨道扰动： 就像我们通过观测Sgr A（银河系中心超大质量黑洞）周围恒星的轨道来推断其质量一样，如果科学家们能观测到某个区域的恒星运动异常，显示出受到一个看不见的、质量巨大的天体的引力影响，并且这个质量介于恒星级和超大质量黑洞之间，那么就可能指向一个IMBH。
引力波信号： LIGO/Virgo等引力波探测器已经探测到过黑洞合并产生的引力波。如果未来能够探测到由IMBHs合并产生的引力波信号，那将是直接且确凿的证据。这些信号的频率和时长将不同于恒星级黑洞合并，更接近理论预测的IMBHs合并。
科学的态度：谨慎与求证
值得强调的是，在天文学领域，一项“首次发现”通常需要经过严格的同行评审和反复的观测验证。科学研究是一个不断逼近真相的过程。当科学家们提出这样的发现时，往往伴随着大量的观测数据、理论模型和严谨的分析。但同时，也需要其他独立的研究团队用不同的方法去验证，以排除可能的系统误差或偶然因素。
如果这次发现能够经受住时间的考验，那将是对我们理解宇宙基本构成和演化历史的一次重大推动。它将开启新的研究方向，吸引更多的天文望远镜和探测器去专门搜寻和研究这些“失落的”黑洞成员。
总而言之，科学家们声称首次发现中等质量黑洞，这不仅仅是一个技术上的突破，更是对我们宇宙观的一次重要拓展。这如同打开了一扇新的窗口，让我们得以窥见宇宙深处更复杂的运作机制，以及黑洞这一宇宙中最神秘天体家族的完整图景。
网友意见
总的来说这次的发现还算是个有趣的发现，但又不是那么的有趣。媒体的报道可以说是没有抓到重点，但又可以说是达到了炒作黑洞概念的效果。
首先，中等质量黑洞这个概念不是什么最近的新东西。其定义为：质量为太阳的100到10万倍的黑洞[1][2]。但是，各类媒体在报道时，甚至包括在一些研究论文中这个数字很多时候都不同，比如几百到几百万倍，几千到几十万倍等。当然，到底什么才算中间这个本来就十分模糊，毕竟目前发现的最小黑洞质量仅为太阳3.3倍[3]，最大的却可达400亿倍[4]。在这样一个宽广的范围内出现了中间质量这一“断层”的确是一件很奇怪的事。因此发现中间质量的黑洞对于研究超大质量黑洞的成因可以说是有很重要的意义的。
但是，如果要说本次的发现是首次证实中等质量黑洞我也不敢苟同。我们先来回顾一下观测史上的一些中等质量黑洞。
2000年9月12日 [5]
钱德拉X射线望远镜观察到M82星系中心存在质量约为500个太阳以上的中等质量黑洞[6]
2002年1月21日
密歇根大学对M51与M81观测时发现质量推测为30-1000个太阳的中等质量黑洞[7]
2002年9月17日
哈勃望远镜在飞马座球状星团M15与仙女座球状星团G1中发现中间质量黑洞，质量分别为太阳的约4000倍和约20000倍[8]。
⇒但2003年日本东京大学GRAPE-6的模拟结果否定了NASA的这一发现（但在东大官网已经查不到相关否定的内容，模拟结果有误？）
2004年6月2日
不规则矮星系HolmbergII中发现质量为太阳25倍以上或40倍以上的中等质量黑洞[9]。
2005年3月22日
钱德拉X射线望远镜观察到双鱼座M74星系中质量约为太阳10000倍的中等质量黑洞[10]。
2015年12月28日
日本庆应义塾大学首次在银河系内发现质量约为太阳10万倍的中等质量黑洞，这也是在银河系内发现的第二大黑洞[11]。
2018年6月18日
在距一个大型透镜星系「6dFGS gJ215022.2-055059」中心12.5kpc的投影距离上发现了一个巨大星团的发光X射线爆发。此次爆发的热态特征，加上极高的亮度、超软X射线（≲3.0 keV）和光度曲线的特征幂律演化提供了强有力的证据表明该源包含一个质量是太阳质量数万倍的中等质量黑洞[12]。
而该黑洞（X射线源「3XMM J215022.4-055108」，简称「J2150-0551」）所在星团的可见光源也于2020年3月31日在由同作者（Dacheng Lin）公开的论文上被证实[13]。本次采用哈勃望远镜在上一张照片2倍曝光条件下拍摄。
2018年8月6日
两个研究小组分别发现了几十个存在于矮星系等中心的中间质量黑洞候选天体[14][15]。钱德拉X射线望远镜从2012年11月到2014年3月，对COSMOS[16]的调查领域观测了共53天。 由于X射线是黑洞周围的气体被加热到数百万度而放射出来的，所以如果银河中心附近有明亮的X射线点光源，那就毫无疑问是黑洞存在的证据。
Mezcua等人从钱德拉的数据中发现了40个矮星系中的活跃星系核(活跃地吸积周围气体成长的活动黑洞)。这些估计是太阳质量的1万倍到10万倍的中等质量黑洞。其中12个离地球50亿光年以上的距离，最远的为109亿光年的距离。在矮星系发现的活跃星系核这是迄今为止最远的。
上述研究就是对中间质量黑洞探索的过程。必须要承认，可以作为候补的中间黑洞本来就为数不多，能被证实的就更是几乎没有了。
有朋友可能要问，既然如此那这次的发现不就可以称为“首次”了吗？我想说的是，其实在天体物理学中很少有什么绝对的证实。我们对天体的观测都是建立在各种模型上的。比如我们可能会假设一个恒星是主序星然后用主序星的模型对其各种参数进行测定，但如果这个天体不是主序星的话，那测定结果就可能完全错误。同理，本次发现的测定是建立在引力波的模型上的（上述研究都不是），但利用引力波测定的历史本来就还很短，我们随时都有可能发现例外，导致模型崩塌。因此“证实”都是相对的，比如我就不认为本次“证实”的结果就比上述2018年6月18日发表的中间质量黑洞的证据更加充足。
2020年9月2日
2019年5月21日，美国两台引力波探测器“Advanced LIGO”和欧洲的引力波探测器“Advanced Virgo”捕捉到了黑洞间合体引起的引力波事件「GW190521」。
检测出引力波的持续时间只有约0.1秒，比过去观测到的任何黑洞合体的引力波都短。另外，峰值频率约为60Hz，非常低。 这些特征都表明，在GW190521中合体的黑洞的总质量是观测史上最大的。
根据研究，合体前的黑洞联星质量分别是太阳的约85倍和约66倍，合体将约8个太阳的质量转换为引力波的能量，形成了太阳质量的约142倍的黑洞。 这个142倍的值，是至今为止在引力波事件中检测出的黑洞中最大的值。 不仅如此，合体前的黑洞中较小者的约66倍的数字，也几乎超过了过去检测出的所有合体后的黑洞。而合体后的黑洞质量正好位于中间质量黑洞的范围，可以说是一个稀缺的存在。
GW190521合体前的黑洞也非常有趣。 质量为太阳66倍的黑洞是通过质量为太阳130倍的恒星发生超新星爆炸[19]而形成的。但如果原来的恒星质量更大的话，则会因“电子对生成”效应，让坍缩变得极其强烈致使爆炸后什么都不会留下（不稳定对超新星爆发）。但若恒星的质量更大，超过太阳的200倍的话，就会通过别的过程形成太阳质量120倍以上的黑洞。这些处于中间的为太阳质量65~120倍的黑洞不能直接通过超新星爆炸产生。
合体前质量为太阳85倍的黑洞正是处在这个空白地带。也就是说，在GW190521合体之前的黑洞本身有可能诞生于更小的黑洞间的合体。为了实现这样的多重合体，需要星星密集的星团与活动星系的吸积盘等数多黑洞聚集的环境。这次的发现暗示了通过重复这样合体生成中间质量黑洞，进而也能产生超大质量黑洞的可能性，在对理解黑洞的形成和发展方面具有很大的意义。
刚才也提到，本次的发现与之前的研究不同是利用黑洞合体产生的引力波进行的观测。有朋友可能会认为这是本次研究的一个亮点，其实不然。利用引力波发现黑洞的合体在历史上已有10次（当然都在近年）。
从2002年开始观测的LIGO，在2010年到2015年进行了提高检测器灵敏度的改良，之后被称为「Advanced LIGO」。 Advanced LIGO从2015年9月12日到2016年1月19日进行了最初的观测运用( O1 )，检测出了3件来自黑洞合体的引力波。 第二次观测运用( O2 )从2016年11月30日到2017年8月25日进行，检测出1次中子星联体合体，7次黑洞合体。除本次发现以外的最近4件引力波事件也是在此期间检测到的，根据检测到的日期命名为GW170729，GW170809，GW170818，GW170823，并于2019年发表[20][21]。不过本次GW190521的发表与前10次相比，合体的黑洞质量的确是最大的，且进入了中间质量黑洞领域。
最后这张被称为“恒星坟场”(Stellar Graveyard)的质量分布应该更加直观吧。上面描绘的就是迄今为止（2020.9.2）由LIGO-Virgo观测到的所有中子星与黑洞。而最顶端的那三个发光的黑洞就是本次研究夺取的“桂冠”，但我相信这个桂冠会被不断更新。
另外，虽然与本文完全无关，可以看到下图接近中央处有一根最长的线，由中子星领域一直延伸至黑洞领域，并与一个小黑洞合体成为另一个小黑洞。这是2020年6月23日发表的一次由太阳质量25倍与2.6倍的天体合体形成黑洞并观察到的引力波GW190814[22]。而这个质量为太阳2.6倍的天体是什么至今仍是一个迷。但无论是什么，它都将创造历史：如果是中子星，则是观察史上最重的中子星，如果是黑洞，则是观测史上最轻的黑洞（理论认为超新星爆炸后如果星核质量比太阳的2.1~2.5倍还重的话将无法成为中子星而变成黑洞，因此在太阳质量2.5~5倍范围内理论上是不存在中子星的，但同样奇怪的是在这个区域内也几乎没有观察到过黑洞）。
好了，最后来总结一下本次的发现看点到底在哪儿。
中间质量黑洞？不，观测到中间质量黑洞并不是首次。
观测到黑洞合体产生的引力波？不，之前已经观测到很多次。
但是我们把它们合起来：通过黑洞碰撞产生的引力波观测到的黑洞质量恰好为中间质量黑洞——这个确实是首次。另外，这也是迄今为止通过这种方法观察到的质量最大的黑洞。
因此，此次的事件并不是一个特别重要或有趣的发现，但也可以算做是一个小的里程碑。相信今后类似的报告（比如质量为几百或几千个太阳的黑洞）会越来越多。加油！
参考
- ^Miller M. C. and Colbert E. J. M. Intermediate-Mass Black Holes. IJMPD, 13 1(2004). https://doi.org/10.1142/S0218271804004426
- ^van der Marel R. P. 2004 Coevolution of Black Holes and Galaxies ed L. C. Ho (Cambridge: Cambridge Univ. Press) 37 https://arxiv.org/abs/astro-ph/0302101
- ^Todd A. Thompson et al. A noninteracting low-mass black hole–giant star binary system. Science, 366, 6465(2019), 637-640. https://science.sciencemag.org/content/366/6465/637
- ^Kianusch Mehrgan et al. A 40 Billion Solar-mass Black Hole in the Extreme Core of Holm 15A, the Central Galaxy of Abell 85. ApJ, 887 195(2019). https://doi.org/10.3847/1538-4357/ab5856
- ^ 日期均为发表或论文的公开日期，而非观测日期（下同）
- ^钱德拉官网报道 https://chandra.harvard.edu/press/00_releases/press_091200.html
- ^密歇根大学官网报道 https://news.umich.edu/astronomers-find-evidence-of-black-holes-missing-link/
- ^哈勃官网报道 https://hubblesite.org/contents/news-releases/2002/news-2002-18.html
- ^哈佛CfA官网报道 https://www.cfa.harvard.edu/news/archive/pr0422.html
- ^钱德拉官网报道 https://chandra.harvard.edu/press/05_releases/press_032205.html
- ^Tomoharu Oka et al. SIGNATURE OF AN INTERMEDIATE-MASS BLACK HOLE IN THE CENTRAL MOLECULAR ZONE OF OUR GALAXY. ApJ, 816 L7(2016). https://doi.org/10.3847/2041-8205/816/1/L7
- ^Lin, D., Strader, J., Carrasco, E.R. et al. A luminous X-ray outburst from an intermediate-mass black hole in an off-centre star cluster. Nat Astron 2, 656–661 (2018). https://doi.org/10.1038/s41550-018-0493-1
- ^Dacheng Lin et al. Multiwavelength Follow-up of the Hyperluminous Intermediate-mass Black Hole Candidate 3XMM J215022.4−055108. ApJL, 892 L25(2020). https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab745b
- ^M Mezcua et al. Intermediate-mass black holes in dwarf galaxies out to redshift ∼2.4 in the Chandra COSMOS-Legacy Survey. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 478, Issue 2, August 2018, Pages 2576–2591. https://doi.org/10.1093/mnras/sty1163
- ^Igor V. Chilingarian et al. A Population of Bona Fide Intermediate-mass Black Holes Identified as Low-luminosity Active Galactic Nuclei. ApJ, 863 1(2018). https://doi.org/10.3847/1538-4357/aad184
- ^ 本次观测是作为被称作「COSMOS（Cosmic Evolution Survey）」的大规模观测活动的一环而进行的。COSMOS是一个使用世界各地的天体望远镜和观测卫星，将六分仪座方向的约2平方度的区域用所有波长对包括极暗天体在内全部天体进行拍摄的项目。
- ^R. Abbott et al. GW190521: A Binary Black Hole Merger with a Total Mass of 150 M⊙. Phys. Rev. Lett. 125, 101102(2020). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.101102
- ^R. Abbott et al. Properties and Astrophysical Implications of the 150 M ⊙ Binary Black Hole Merger GW190521. ApJL, 900 L13(2020). https://doi.org/10.3847/2041-8213/aba493
- ^对超新星爆炸感兴趣的可以参考以下回答。 https://www.zhihu.com/question/403950257/answer/1344303651
- ^B. P. Abbott et al. Binary Black Hole Population Properties Inferred from the First and Second Observing Runs of Advanced LIGO and Advanced Virgo. ApJL, 882 L24(2019). https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab3800
- ^B. P. Abbott et al. GWTC-1: A Gravitational-Wave Transient Catalog of Compact Binary Mergers Observed by LIGO and Virgo during the First and Second Observing Runs. Phys. Rev. X 9, 031040(2019). https://doi.org/10.1103/PhysRevX.9.031040
- ^R. Abbott. GW190814: Gravitational Waves from the Coalescence of a 23 Solar Mass Black Hole with a 2.6 Solar Mass Compact Object. ApJL, 896 L44(2020). https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab960f
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