中等质量黑洞

质量为太阳的100到100000倍的黑洞

中等质量黑洞（Intermediate-mass black hole）是理论上预测的一种黑洞，质量介于太阳100～10万倍之间，比恒星黑洞（数十倍太阳质量）大，但远小于超大质量黑洞（数十万倍甚至数十亿倍太阳质量）。

黑洞分类

黑洞按它们的质量一般分为恒星级质量黑洞（Stellar mass black holes，简称“sMBHs”）、中等质量黑洞（Intermediate mass black holes，简称“IMBHs”）和超大质量黑洞（Supermassive black holes，简称“SMBHs”）三类。理论上还预言存在宇宙早期诞生的，尺度和质量极小的原初黑洞，以及近些年来提出的绝超质量黑洞（Hypermassive black holes，简称“HMBHs”），它们的质量范围涵盖1010~1012倍太阳质量甚至更大，可以在宇宙包括早期宇宙中的巨大物质库中动力塌缩形成，并且已有重要观测证据的支持。

中等黑洞形成理论

中等质量黑洞是如何起源的？根据爱因斯坦相对论方程，黑洞可以具有任意大小的质量，但是在宇宙中只有通过天体物理学过程才能制造出一定质量的黑洞：大质量恒星的崩溃是形成黑洞的一条主要途径，却也对黑洞质量设下了一些限制：根据恒星演化学，来自恒星核心的光子与气体的向外压力会与向内推动的引力保持平衡，使恒星处于一个稳定的状态，一旦这两股力量失衡，恒星就会在自身重力作用下塌缩引发超新星爆炸，视恒星本身质量可能变成白矮星、中子星或黑洞。

当一个质量非常大的恒星耗尽燃料时，其核心便会开始在引力的作用下坍缩，形成一个恒星级的黑洞。传统的理论认为，恒星坍缩时是不会产生质量在65到135个太阳质量之间的黑洞的，这个质量“禁区”被称为对不稳定性质量间隙（pair instability mass gap）。

对于一颗炽热的恒星来说，其核心产生的伽马射线会对恒星外层施加“光子压”，从而抵抗向内的引力，使恒星处于平衡状态。然而，当恒星核心的质量大于65个太阳质量时，高能的伽马射线会有效的转换为电子-正电子对，这种现象就被称为对不稳定性。这些粒子对产生的压力要弱于光子，从而使引力占据上风。如此一来，恒星的外层就会向内坍缩，核燃烧开始以一种失控的方式加速。其结果就是恒星在爆炸后没有留下任何黑洞遗迹。所以理论上，天文学家预计并不会在65到135个太阳质量范围之间发现任何黑洞。

GW190521引力波事件

2019年5月21日，LIGO的两座干涉仪（美国华盛顿州的汉福德LHO和路易斯安纳州的利文斯顿LLO），以及意大利北部Virgo干涉仪在第三次运行期间检测到了这次事件信号。新发现创造了引力波探测的多项纪录——初始双黑洞最大，分别为85倍太阳质量和66倍太阳质量；并合后的黑洞质量最大，142倍太阳质量；并合过程中转换为引力波能量的黑洞质量最多，约8倍太阳质量以强大引力波能量的形式从双黑洞并合处向宇宙时空辐射出去；距离最远，引力波信号用了70亿年传到我们地球，考虑到宇宙膨胀的因素，黑洞距离地球约170亿光年。这次信号持续不到0.1秒，峰值频率约60Hz。

这个发现具有两个里程碑式的意义：第一，天文学家第一次收集到了清晰的中等质量黑洞引力波数据；第二，发现了质量介于“灰色地带”的黑洞。

LIGO-Virgo合作团队有两类算法来识别信号，一种是在数据中挑选出特定的模型双星并合信号，依靠设计好的双黑洞或中子星等天体运动的模型作为模板，而且为了相互验证，这类算法中是两种不同的工具（PyCBC和GstLAL）；另一种是更“万能”（coherent WaveBurst，简称“cWB”），针对各种突发信号，错误率仅为4900年一次，最早发现的引力波信号就是通过这种算法发现的。三种算法都发现了本次事件信号，在PRL的论文中，他们主要解释了算法识别的真实性，肯定了信号源于引力波，并且符合双黑洞并合模型，同时确定相关参数。[1][2]

由于信号很短，研究人员也考虑了其他模型的可能性。在天体物理学研究中，一次事件符合多种模型是常见的情况（即理论模型简并）。论文中一口气给出了5个不同的可能替代方案，其中包括非零轨道离心率和正面碰撞，并不像以往两个黑洞成圆轨道旋转着并合；强引力透镜效应；原初黑洞并合；宇宙弦信号；核坍缩超新星爆发。可惜这些模型的拟合结果均不如双黑洞并合模型来得好。

如果是双黑洞并合，142倍太阳质量的中等质量黑洞就很容易解释。可是，初始的两个黑洞一个正落在黑洞质量缺口之内（85倍太阳质量黑洞），一个处于黑洞质量缺口的下边缘（66倍太阳质量黑洞），那么它们又是怎么形成的呢？

研究人员给出了三种模型：（一）两对双恒星级质量黑洞并合成两个二代黑洞，考虑到这两个二代黑洞要在致密的环境内继续并合，其实这一模型图像也并不简单；（二）年轻星团中的恒星并合，一颗已演化出氦核的恒星与主序伴星碰撞并合成为一个巨星，在进入PI阶段前就坍缩成黑洞；（三）活动星系核吸积盘内黑洞并合，黑洞吸积盘里的物质有助于小型黑洞的成长并合。至于最终哪种方案胜出，还有赖于未来更多中等质量黑洞的发现。

中等黑洞在哪里

天文学家一直没找到中等质量黑洞存在的决定性证据，但在三类天体系统中发现了它们的蛛丝马迹。第一类是球状星团（Globular cluster）的中心。第二类是极亮X射线源（Ultraluminous X-ray Sources，简称“ULXs”），这类天体亮度超过1039 erg/s（相当于1秒钟释放的能量大于1032J——约20亿亿个原子弹释放的能量），远远超过一般银河系X射线双星的亮度，并且不在星系动力学中心。第三类，也是目前最有希望找到中等质量黑洞的是矮星系（Dwarf galaxy）中心。

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