矮星系揭示超大质量黑洞成长之谜

　　超大质量黑洞的形成之谜

　　众所周知，在每个大型星系中心都潜藏着一个宇宙巨兽——超大质量黑洞。它们动辄是太阳质量的数万倍，甚至数亿倍。这些大家伙的块头当然不是与生俱来的，而是由较小的黑洞演化来的。但如果它们当初只是恒星量级的黑洞(恒星在超新星爆发后的剩余残骸)，然后靠一点一点吞吃物质成长起来的，那么似乎从宇宙诞生至今都嫌时间太短，来不及吃成这么胖。这就是困扰天文学家多年的“超大质量黑洞形成之谜”。

　　在这种情况下，一种理论认为，超大质量黑洞可能是黑洞通过一步步碰撞合并而得来的：先是恒星量级的黑洞相互碰撞合并，形成更大的黑洞;然后更大的黑洞又再次合并，形成更更大的黑洞……如此等等，这可以大大缩短演化时间。

　　另一种理论则认为，在大爆炸之初，由于物质密度的涨落，有些区域的密度大到一定程度，在引力作用下就直接坍塌成了黑洞。由于这些黑洞一开始就逾越了恒星这一演化阶段，其质量可以远远超过恒星量级，这相当于为超大质量黑洞的演化提供了更大的“种子”，故而也能缩短演化时间。

　　后一种理论叫“大种子理论”，相对的，前一种理论叫“小种子理论”。两种理论孰是孰非，在天文学家中一直存在争论。

　　问题在于两种理论都各有自己的短板：按大种子理论，在大爆炸后不久，宇宙物质在密度涨落中就可以直接坍塌成大黑洞(比恒星量级质量还大)。但是，由于小涨落出现的可能性比大涨落要高，如果大涨落能制造出大质量黑洞，那么小涨落制造出的小黑洞(比恒星量级质量小)应该会更多才是。可我们迄今并没有发现任何一个比太阳质量还小的黑洞。至于小种子理论，它的困难在于找不到从恒星量级黑洞到超大质量黑洞的过渡类型。

　在矮星系中心寻找大黑洞不可想象

　　2008年，法国天文学家玛尔塔·沃伦特里提了个激进的建议：应该到那些小型的星系——矮星系——中寻找黑洞的过渡类型。如果找到了，那“小种子理论”就可能胜出了。

　　这个建议在其他人看来是异想天开。因为在矮星系中心寻找大质量的黑洞，在他们看来是不可想象的。这“不可想象”包含两个方面：理论上和技术上。

　　理论上，天文学家认为，矮星系中心不可能藏有大质量黑洞。我们知道，像银河系这样的大型星系是100多亿年来许多星系碰撞合并的产物。而矮星系要么没有经历过很多次合并，要么形成时间较短，而且往往缺少物质来喂养盘踞在中心的黑洞。在这些条件下，这些黑洞都没有机会长成大质量黑洞。

　　技术上，盘踞大型星系中心的超大质量黑洞在“进食”的时候，会发出刺眼的光芒，盖过了周围恒星的星光，天文学家通常就是通过这一点来发现它们的。但是，在沃伦特里提出建议的时候，天文学家还没有在矮星系中看到过任何黑洞进食的明确迹象。

　大质量黑洞可能普遍存在

　　然而，到了2013年，沃伦特里的建议不再被认为异想天开。这一年，一位天体物理学家根据黑洞进食时发出的可见光的特征，编了一个算法，然后用这个算法去分析2.5万多个矮星系的数据。他在其中发现151个矮星系显示出有黑洞在进食的迹象，它们的质量都在数十万个太阳质量以上。这意味着矮星系中心藏有大黑洞是完全可能的。

　　最近，又有了新的技术来发现更多这些隐藏在矮星系中的巨兽。这项新技术得之偶然。研究人员在观察一个黑洞候选者的时候，注意到它的光谱中有一条特殊的橙色谱线。在化学上，这个谱线标志着铁原子受到了剧烈的撞击，以至于一下子失去了9个核外电子(铁原子核外共有26个电子)。研究人员检查了另一个黑洞候选者，也发现了同样的谱线。虽然这两个天体都没有传统意义上黑洞进食的典型特征，但除了黑洞进食导致的物质剧烈碰撞和摩擦，很难想象还有什么过程能对铁原子造成如此大的破坏。

　　随后，研究人员编写了算法，在观测过的大约4.6万个矮星系中进行搜索，他们在81个矮星系中发现了铁原子的橙色光谱线。天文学家由此认为，在这些矮星系的中心，都有一个巨大的黑洞正在进食。

　　太空望远镜也在帮助揭示这一点。2021年，天文学家将钱德拉X射线太空望远镜对准8个矮星系长时间观察，这些矮星系都已被确认中心有黑洞在进食。这意味着，矮星系中心的大黑洞比我们能观察到的还要普遍。

　　如果大质量黑洞普遍存在——它们就在矮星系的中心——那么“小种子理论”的短板就被补上了。这样，“小种子理论”就比“大种子理论”更令人信服了。

　　当然，也有人认为两种理论并不是相互排斥的，而是可以兼容的。超大质量黑洞既可以通过“小种子”持续地碰撞合并而成长起来，也可以通过“大种子”慢慢吞吃周围的物质而成长起来。