为什么星系中心几乎都有一个黑洞？
首先，让我们理清一个概念：为什么是“几乎”？
宇宙的尺度是如此浩瀚，星系的种类也多种多样。我们观察到的星系也不是一成不变的，有些年轻，有些古老，有些星系可能还没有发展到拥有超大质量黑洞的阶段，或者我们现有的观测技术还不足以探测到它们。但从我们目前掌握的数据来看，绝大多数，尤其是像我们银河系这样结构相对成熟的星系，其中心都存在着一个巨大的质量黑洞。
那么，我们是如何知道星系中心有黑洞的呢？这主要依靠以下几个关键的观测线索：
1. 恒星和气体的运动速度：
这是最直接也是最有力的证据。想象一下，如果你看到一群人在一个房间里疯狂地绕着某个看不见的点旋转，而且他们的速度快得惊人，你自然会怀疑那个点后面隐藏着什么了不得的东西。
在星系中心，我们观察到，围绕着星系核的恒星和气体云的运动速度异常之快。这些恒星并非漫无目的地乱飞，而是沿着非常确定的轨道在运动。通过计算这些天体的运动速度和它们的轨道半径，我们可以运用牛顿万有引力定律（或者在极端情况下使用广义相对论）来估算出中心那个看不见的天体有多重。
结果往往是惊人的：在非常小的区域内，聚集着极其巨大的质量。按照我们目前已知的物理规律，只有黑洞才能做到这一点，因为黑洞的引力强大到连光都无法逃脱，所以我们直接看不到它，但它的引力效应是无法忽视的。
举个例子，在银河系中心，我们观测到恒星S2绕着一个不可见的中心天体以极高的速度（可达数千公里每秒）运行，其轨道周期非常短。根据它的轨道数据，科学家们估算出银河系中心的这个天体质量大约是太阳的400万倍，而且集中在一个非常小的区域内。
2. 吸积盘和相对论性喷流（Relativistic Jets）：
当物质，比如气体和尘埃，被强大的引力吸引向黑洞时，它们并不会直接掉进去。相反，这些物质会形成一个高速旋转的盘状结构，我们称之为“吸积盘”。在吸积盘中，物质在相互摩擦和挤压下会变得极热，发出强烈的X射线辐射。
我们能够探测到星系中心区域发出的这种强烈的、持续的X射线辐射，这正是物质被吸积到黑洞过程中的“牺牲品”发出的信号。更令人着迷的是，在一些星系的中心，我们还能观测到从吸积盘两侧高速喷射出来的“相对论性喷流”。这些喷流速度接近光速，其能量来源被认为是吸积盘中的磁场将能量加速并射出。这种现象与黑洞的吸积过程是吻合的。
3. 引力透镜效应：
虽然黑洞本身不发光，但它强大的引力会扭曲周围的时空。根据爱因斯坦的广义相对论，质量会弯曲时空，而巨大的质量会产生显著的弯曲。当背景中的光线经过一个质量巨大的天体（比如星系中心的黑洞）附近时，它的路径会被弯曲，就像透过一个透镜一样。这种现象被称为“引力透镜效应”。
通过观测背景星系的光线被前景星系中心的质量弯曲和扭曲的程度，我们可以推断出星系中心质量的分布和大小，这也可以为中心存在一个巨大的黑洞提供证据。
4. 星系演化和黑洞的“共生”关系：
这个问题更像是“先有鸡还是先有蛋”的讨论，但越来越多的证据表明，星系的形成和演化与星系中心的超大质量黑洞之间存在着一种深刻的“共生”关系。
我们发现，星系中心黑洞的质量与其宿主星系的核球（也就是星系中心区域）的恒星速度离散度（衡量恒星运动随机性的指标）之间存在着惊人的相关性（被称为Msigma关系）。这意味着，当一个星系形成时，其中心的黑洞也在同步生长，或者说它们是相互影响、共同演化的。
黑洞并非只是被动地吸积物质，它还可以通过喷流和辐射来影响周围的气体和恒星形成。例如，强烈的喷流可以将星系中心区域的气体吹散，从而抑制恒星的形成，影响星系的“生长速度”和形态。这种反馈机制可能解释了为什么我们观察到的很多星系都恰好有一个与之质量匹配的中心黑洞。
为什么是“黑洞”而不是其他东西？
你可能会问，为什么不能是其他非常密集的物体，比如一个巨大的中子星团或者一个由暗物质组成的巨球？
原因在于，黑洞的定义就是“引力强大到连光都无法逃脱”。我们观测到的中心天体的引力效应是如此强大，以至于它必须在极小的空间内聚集了远超恒星密度或者任何已知致密天体所能达到的质量密度。如果不是黑洞，那么这些高速运动的恒星和气体早就应该“飞出去”了，或者它们所处的空间应该被一个极其炽热、我们却探测不到的致密天体填满。
总结一下，星系中心几乎都有一个黑洞的“证据链”是这样的：
我们看到星系中心的恒星和气体运动异常快。
根据速度和轨道计算，在小范围内存在巨大质量。
我们探测到中心区域发出强烈的X射线，以及高速喷流，这是物质被吸积的信号。
这些信号都指向一个极其致密、引力极强的天体，根据我们现有的物理知识，最符合描述的只能是超大质量黑洞。
更进一步的研究发现，黑洞的质量与其宿主星系的性质密切相关，暗示它们是共同演化的。
所以，虽然我们无法直接“看到”黑洞，但它的“影子”——也就是它对周围物质施加的强大引力效应，以及吸积盘和喷流发出的信号——却清晰地昭示着它的存在。这种间接但非常有力的证据，让我们相信绝大多数星系的中心都潜藏着一个宇宙巨兽。
网友意见
【不知道为啥这个答案得到了很多关注。。。稍微解释一下，这其实是一个比较自娱自乐的补充回答。主要是让我想起了最近看过的论文，想给自己梳理一下。讲得不是很好，而且侧重于“几乎都有一个黑洞”的部分，为什么反倒没有细讲，因为 @蓝胖子feeling 的答案已经很好了。。。】
翻出来一个好久之前的挺有意思的问题。虽然已经有一个很好的回答了，但和这个问题相关的新进展还挺多的，而且细想之下，这个问题可以分出不少层次来，非常适合天体物理科研思路的基本训练：
首先，“都有一个黑洞”。这里“黑洞”的定义要具体一点。一个太阳质量的也算黑洞，十亿个太阳质量的也是黑洞。要是把所有的黑洞都算上，那还真可以说“所有的星系中心都有黑洞”。。。我们银河系中心这种一般叫超大质量黑洞 (SMBH)，按质量粗略分的话要在十万个太阳质量的叫超大质量黑洞，100太阳质量以下的叫恒星级别黑洞，中间的。。就叫中等质量黑洞 (IMBH)。这里不是吹毛求疵，这个定义在后面有用。一般谈星系演化，我们讨论的都是中心的SMBH。
那么：是所有的星系中心都有超大质量黑洞吗? 不是。讨巧的话举个反例就好了，我们银河系附近的一堆矮星系，从大小麦哲伦云开始都没有超大质量黑洞。这些星系的总恒星质量很多只在几百万太阳质量，显然不太可能在中间还有一个大黑洞了。
接下来问题就来了：那么对于一个质量一定的星系，他在中心拥有超大质量黑洞的几率是多少？或者说，存不存在这样一个临界质量，在这个恒星质量之上的星系一定会拥有超大质量黑洞？这两个问题对于星系和黑洞演化都是很重要的，我们把描述星系质量和超大质量黑洞对应关系的函数叫做超大质量黑洞占据比例函数 (Supermassive Black Hole Occupation Fraction)。这个统计描述了给定恒星质量上，多少比例的星系中心至少有一个超大质量黑洞。
说来容易，但是真的去测量这个函数是很难的：首先，你需要把一定距离内一定恒星质量以上的所有星系都选出来 (叫质量完备样本)；然后，你还要进行多波段的观测，确认星系中心是否有SMBH存在。实际观测中要面对非常复杂的选择效应和观测问题，要通过复杂的统计学模型来给出限制。而且目前我们基本只能在我们银河系附近进行这样的观测，但这个函数本身肯定是有很明显的红移演化的。这个比例函数比较好的限制来自Brendan Miller等人2015年的工作。他们对银河系附近30 Mpc以内的早型星系进行了详细的X-ray观测，给出了如下的限制：
图中横坐标就是以10为底对数下的恒星质量，8是一亿太阳质量，10是一百亿太阳质量这样。纵坐标就是对应恒星质量上，SMBH的比例。图中的灰色区域就是给出的限制范围。而带误差棒的数据点，是这些SMBH里面有吸积活动的比例。可以看到在低质量端观测限制还有很大的不确定性。作者用X-ray观测是因为X-ray可以比较明确的判断AGN，也就是正在吸积活动中的SMBH的存在，不太受尘埃气体等的干扰。但即便如此，到了低质量端，大部分的SMBH不太活跃，X-ray光度很低，测量困难，统计改正也变得依赖于模型。
不过，抛开这些问题，让我们暂且假定这个工作是最靠谱的，我们能得到的结论是：
- 恒星质量越大的星系越有可能拥有SMBH
- 恒星质量一百亿太阳质量以上的星系，几乎一定会在中心拥有一个SMBH
- 而对一亿太阳质量这样的“小”星系，中心拥有SMBH的几率大概是20%左右。
- 但是，你也应该看到，即便对于这些低质量的星系，现有的数据并没有排除他们大部分都有SMBH的可能。观测还需要进一步完善。
那么这个关系是怎么来的？或者说为什么质量一百亿太阳质量以上的星系中心一定会有SMBH？严格来说我们还不清楚答案。SMBH的形成可以说还是个没有解决的问题，尤其是在宇宙早期，年轻星系中心是如何能开始形成这么大质量的黑洞的，我们还很不清楚。但粗略来说，无论最开始的“种子”是怎么来的，SMBH的成长和星系一样，无非就是两个通道：
- 通过快速吸积周围物质成长：这就需要大量而高效的气体被源源不断地在宇宙早期被输送到星系中央。
- 通过和其他星系中心的SMBH并和成长：这就需要尽可能多地发生星系并和。
这两个过程哪个重要？在宇宙不同阶段扮演的角色如何？我们都还没有搞清楚，但可以肯定的是，在Lambda-CDM宇宙学模型下，宇宙早期密度扰动中越显著的“峰” (peak) 会在后面形成质量越大的暗物质晕，而质量越大的暗物质晕越容易满足上面的两个黑洞成长条件；与此同时，质量越大的暗物质晕内也越可能形成大质量的星系。把这两点综合起来看，就不难理解为什么质量越大的星系中心拥有SMBH的可能性越高了。
换句话说，如果把上面这段废话变成一个数学模型那就是：在高红移，存在着这样一个临界暗物质晕质量 ( )，在这个质量上，暗物质晕内部存在SMBH种子的几率是 :随着这些种子的并和，就可以解释观测到的近邻宇宙的SMBH占据比例了。而最近的 Buchner et al. 2019 就是用这样的模型，结合暗物质数值模拟和星系形成的半解析模型来讨论SMBH的占据比例了。这篇文章的短标题就叫：“SMBH有多常见？”，非常符合本问题。可以看到，即便是现在只能给出下限的观测，已经可以排除掉很多模型空间了。而这样一个模型的重要应用就是可以利用模拟预测近邻宇宙里面SMBH并和事件的频率，为未来的空间引力波观测提供预测。(我个人挺喜欢这论文的，模型非常的”幼稚”，但可以帮你理清思路)
当然，顺着这个问题想下去还可以想很多，比如：那是不是存在着这样的一个恒星质量，在这个恒星质量下面的星系一定不会有SMBH。这里就有咬文嚼字的地方了，我们说了，SMBH的下限是十万太阳质量，那质量比这个小的那些矮椭球星系 (dSph) 估计是不会有SMBH了。但能不能做得更好一点呢？观测告诉我们，星系和黑洞之间有着剪不断，理还乱的复杂共生和限制关系，但星系的恒星质量和中心黑洞质量之间有着一个不错的正比关系。非常粗略的来说，SMBH的质量一般是星系质量的几百分之一吧。保守估计一下，的确是一亿太阳质量以下的矮星系，基本不太可能有中心的超大质量黑洞了。
但是：SMBH和IMBH的质量区分完全是人为硬加上去的，没有背后的物理道理。原则上说，小质量星系的中心依然可能有着质量几千到上万太阳质量的中等质量黑洞。比如另一个回答里提到的近邻矮星系M33。这个质量和我们银河系卫星大麦哲伦星系差不多的家伙中心虽然没有超大质量黑洞存在，但目前我们只能确定，如果它中心也有一个黑洞，这个黑洞的质量不超过1500太阳质量 (Gebhart et al. 2001)。这些IMBH是不是在矮星系中心普遍存在？他们和SMBH的关系是什么？SMBH和“宿主”星系之间的关系在这些更小的黑洞上是否也存在？这些，就进入了星系-黑洞共同演化的最前沿了。这些小质量的黑洞引力作用和吸积能力都比SMBH要弱的多，注定了对他们的搜索会更加困难。
这些IMBH很可能可以帮助我们理解宇宙早期SMBH最开始形成的过程，而其中很多，甚至可能就是宇宙早期气体直接坍缩形成的早期黑洞的“活化石”。这也是为什么IMBH的搜索这么多年一直在慢慢升温。关于这里的细节，我强烈推荐普林斯顿大学 Jenny Greene的综述文章。
Jenny还提交了一篇给美国Astro2020 Decadal Review的“白皮书” (White Paper)，专门论述了为什么未来20年内，对IMBH的研究可以解决很多悬而未决的问题 (同时也带来更多有趣的问题)。在这一轮对IMBH的探索中，下一代地面30米级望远镜以及空间的JWST都将会有非常重要的作用。
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