在星系中，黑洞的质量跨度极大。有些恒星级黑洞仅为太阳质量的五到一百倍，而星系中心的超大质量黑洞质量则可超过十万倍太阳质量，甚至达到数十亿倍太阳质量。但在这两极之间，是否存在质量约为一千至十万倍太阳质量的中等质量黑洞？这一问题长期困扰着天文学界。
最近，一项由捷克查尔斯大学天文学研究所牵头、波恩大学深度参与的研究，揭示了中等质量黑洞可能在我们银河系这样的恒星形成星系内部频繁自然形成的机制。该成果已在《天文学与天体物理学》杂志的“编辑通讯”栏目正式发表。
黑洞的类型与观测挑战
当大质量恒星走向生命终点，其遗骸可能形成质量在五到一百倍太阳之间的恒星级黑洞。这类黑洞通常无法直接观测，只能通过它们与伴星交互时吸积物质发出的辐射而被间接发现。而在星系中心，通常潜伏着质量超过十万倍太阳质量的超大质量黑洞，例如银河系中心的人马座 A* 质量约为四百万倍太阳质量，而巨大椭圆星系 M87 中心的黑洞质量甚至高达数十亿倍太阳质量。
然而，介于两者之间的“中等质量黑洞”是否存在，一直缺乏明确的观测证据。尽管计算机模拟显示，恒星黑洞可能在星团中通过合并或吸积物质，经过数十亿年演化形成中等质量黑洞，但相关计算仍存在较大不确定性，且至今未得到确凿观测证实。
新理论：中等质量黑洞如何在星系中心快速形成
该研究的主要作者、查尔斯大学天文学研究所的贾罗斯拉夫·哈斯博士提出，在类似银河系这样的星系最内核区域，中等质量黑洞可能以较快速度频繁形成。他借鉴了波恩大学帕维尔·克鲁帕教授团队几年前提出的、用于解释早期宇宙中超大质量黑洞快速形成的理论模型，并将其应用于银河系内核环境。
“在银河系中心区域，恒星形成活动频繁，常诞生出高密度的星团，”哈斯解释道。当这些星团中的大质量恒星相继死亡，便会留下大量恒星级黑洞，并逐渐向星团中心沉降，同时随星团一同绕星系中心运动。这些星团在运动过程中，常常会遇到密集的气体云。
“当气体云坠入星团，其中的黑洞在气体阻力作用下会逐渐向中心聚集，导致核心区域进一步收缩，”哈斯指出。在特定条件下，星团可以变得足够致密，以至于其中的黑洞在相互绕转时通过引力波辐射能量，从而可能引发整个星团核心区域的引力坍缩。最终，这些黑洞可能合并形成一个质量介于一千至十万倍太阳质量的中等质量黑洞。
从怀疑到支持：理论的计算验证
“此前，我对中等质量黑洞在星系中心形成的可能性持怀疑态度，因为早期计算并不支持这一过程，”共同作者、查尔斯大学兼波恩大学教授帕维尔·克鲁帕表示。“因此，将我们原先为解释早期宇宙超大质量黑洞形成而建立的模型，应用于贾罗斯拉夫的新构想，显得尤为有意义。现在看来，在银河系及类似星系的中心区域存在多个绕转的中等质量黑洞，是很自然的结果。不过，椭圆星系目前可能无法形成这类黑洞，因为它们已不再产生富含气体的年轻星团。”
波恩大学的物理学研究生塞尔吉·马祖连科在参与克鲁帕教授关于超大质量黑洞形成的研究时，受委托对哈斯的理论进行了快速计算验证。“我的计算结果支持了贾罗斯拉夫的初步估计，”马祖连科表示。
观测意义与未来展望
若该理论成立，银河系中心约 600 光年范围内，可能存在着数十个中等质量黑洞。有趣的是，目前通过分析恒星与气体运动，已在银河系中心区域发现了约五个中等质量黑洞候选体。这项研究为理解银河系等星系中心极端而活跃的环境提供了新的视角。
“我们期待未来通过新的观测手段，对现有中等质量黑洞候选体进行验证，”哈斯说。为了进一步完善该理论，需要对银河系中心区域那些处于稠密气体环境中的星团，开展更精细、更接近真实的模拟。克鲁帕教授补充道：“这为年轻学者和学生开启了激动人心的新研究方向，涵盖观测与计算多个领域。”
附：黑洞模拟图像说明
本文配图为计算机生成的星系中心超大质量黑洞模拟图像：
中央黑色区域代表黑洞的事件视界，其内任何物质与辐射均无法逃脱。
黑洞的巨大质量使其周围时空发生扭曲，如同“哈哈镜”一般，背景恒星的光线经过时被拉伸和扭曲。
除了尺寸差异，中等质量黑洞在视觉上与此类图像相似。
图片来源：NASA, ESA 以及 D. Coe, J. Anderson 与 R. van der Marel (STScI)
