在宇宙的大花園裡，最重的黑洞是從種子里長出來的。這些種子通過它們消耗的氣體和塵埃，或者通過與其他緻密天體的結合，在大小和重量上不斷增長，形成星系的中心，比如我們自己的銀河系。但與植物不同的是，巨大黑洞的種子也一定是黑洞。但至今還沒有人找到這些種子。
其中一個想法是，超大質量黑洞——相當於數十萬至數十億個太陽質量——是由一個從未見過的更小的黑洞組成的。這個難以捉摸的群體，即“中等質量黑洞”，大約有100到100,000個太陽。在迄今發現的數百個黑洞中，有大量相對較小的黑洞，但在中等質量範圍的“沙漠”中卻沒有確定的。
科學家們正與nasa的強大太空望遠鏡以及其他天文臺合作，以追蹤與這些奇異實體描述相符的遙遠天體。他們已經發現了幾十個可能的候選者，並正在努力確認他們是黑洞。但即使他們這樣做了，這也揭開了一個全新的謎團：中等質量的黑洞是如何形成的？
“令人著迷的是，為什麼人們花了這麼多時間試圖找到這些中等質量的黑洞，因為它揭示了在早期宇宙中發生的過程——那些遺蹟黑洞的質量，或者是我們還沒有想到的新的黑洞形成機制，”加州帕薩迪納的加州加州理工學院的物理學教授Fiona Harrison說，他也是nasa nustar任務的主要調查員。
黑洞101
黑洞是空間中一個極其稠密的物體，沒有任何光線能從中逸出。當物質落入黑洞時，它就沒有出路了。一個黑洞吃得越多，它的質量和大小就越大。
黑洞的類型
1-100太陽質量=恆星質量
100至100,000太陽質量=中等質量黑洞
100,000至數十億個太陽質量=超大質量黑洞
最小的黑洞稱為“恆星質量”，質量在太陽的1到100倍之間。它們是由恆星在被稱為超新星的劇烈過程中爆炸而形成的。
另一方面，超大質量黑洞是大星系的中心錨--例如，我們的太陽和銀河系中的所有其他恆星圍繞著一個質量約410萬太陽質量的黑洞——人馬座a*運行。一個更重的黑洞——高達65億太陽質量——成為了“銀河系干擾者87”（m87）的核心。m87的超大質量黑洞出現在來自事件視界望遠鏡的著名圖像中，首次顯示出一個黑洞及其“影子”。這個陰影是由事件視界引起的，黑洞的點是不返回的，以其強烈的重力彎曲和捕捉光。
超大質量黑洞的周圍往往有被稱為“吸積盤”的物質盤，由極熱的高能粒子組成，當它們靠近事件視界時會發出明亮的光芒——黑洞的不歸之地。那些因為吃了很多而使他們的圓盤發光的被稱為“活動星系核”。
創造黑洞所需的物質密度令人難以置信。要使黑洞的質量達到太陽質量的50倍，你必須把相當於50個太陽的物體打包成一個直徑不到200英里（300公里）的球。但就m87的核心來說，它就像65億太陽被壓縮成一個比冥王星軌道還寬的球。在這兩種情況下，密度都很高，以至於原始物質必須塌縮成一個奇點——時空結構的裂縫。
黑洞起源之謎的關鍵在於它們生長速度的物理極限。甚至在星系中心的巨大怪物也對它們的攝食狂熱有限制，因為一定數量的物質被來自在事件視界附近加速的熱粒子的高能輻射所擊退。例如，通過吃周圍的物質，一個低質量的黑洞可能只能夠在3000萬年內使它的質量增加一倍。
“如果你從50個太陽質量開始，你根本不能在10億年內把它擴大到10億個太陽質量，”史密森天體物理天文臺，劍橋，馬薩諸塞州和莫斯科州立大學的天體物理學家Igor Chilingarian說。但是，“正如我們所知，宇宙形成後不到10億年，就存在著超大質量黑洞。”
如何製造一個你看不見的黑洞
在宇宙歷史的早期，一箇中等質量黑洞的種子可能是由大型緻密氣體雲的塌縮或超新星爆發形成的。在我們宇宙中爆炸的第一批恆星的外層都有純氫和氦，更重的元素集中在核心。這是一個比爆炸的現代恆星大得多的黑洞的配方，現代恆星被外層的重元素“汙染”，因此通過恆星的風失去了更多的質量。
Tod Strohmayer說：“如果我們在宇宙早期形成具有100個太陽質量的黑洞，其中一些應該合併在一起，但基本上你應該產生一個完整的質量範圍，然後其中一些應該還在周圍。”馬里蘭州格林貝爾德美國宇航局戈達德太空飛行中心的天體物理學家。"那麼，他們在哪裡，如果他們確實形成？"
中間質量的黑洞可能仍然存在的一個線索來自美國國家科學基金會的激光干涉儀引力波天文臺，ligo，加州理工學院和麻省理工學院的合作。ligo探測器，與意大利的一個歐洲設施vigo結合，在時空的波紋中發現了許多不同的黑洞合併，稱為引力波。
2016年，利戈宣佈了半個世紀以來最重要的科學發現之一：首次引力波探測。特別是，位於路易斯安那州的利文斯頓和華盛頓的漢福德的探測器接收到了兩個黑洞合併的信號。這些黑洞的質量：分別是太陽質量的29倍和36倍，科學家們對此感到驚訝。雖然它們在技術上還不是中等質量的，但它們足夠大，足以引起人們的注意。
他們在哪裡？
在中等質量的沙漠尋找黑洞是很棘手的，因為黑洞本身不會發光。然而，科學家們可以使用精密的望遠鏡和其他儀器來尋找具體的指示信號。例如，由於物質在黑洞上的流動不是恆定的，被消耗的物質的碰撞會導致環境中光線輸出的某些變化。這樣的變化在較小的黑洞中可以比在較大的黑洞中更快地看到。
Chilingarian說：“在一個小時的時間尺度上，你可以進行觀測運動，對於經典的活動星系核來說，這需要幾個月的時間。”
最有希望的中等質量黑洞候選者被稱為hlx-1，質量大約是太陽質量的20,000倍。hlx-1代表“超發光的x射線源1”，它的能量輸出比類太陽恆星要高很多。它是澳大利亞天文學家Sean Farrell於2009年利用歐洲空間局的xmm-牛頓x射線空間望遠鏡發現的。2012年的一項研究使用了nasa的哈勃和快速太空望遠鏡，發現了一組年輕的藍色恆星圍繞這個天體運行的跡象。它可能曾經是被更大的星系eso 243-49吞噬的矮星系的中心。許多科學家認為hlx-1是一個已經證實的中等質量黑洞，哈里森說。
“它發出的x射線的顏色，以及它的行為方式，與黑洞非常相似，”哈里森說。“很多人，包括我的團隊，都有找到像hlx-1一樣的東西的程序，但到目前為止還沒有一個是一致的。但狩獵仍在繼續"
不太明亮的物體可能是中等質量的黑洞，被稱為超光x射線源，或是alxs。一種被稱為ngc 5408x-1的閃爍的ulx對於尋找中等質量黑洞的科學家來說特別有趣。但是nasa的nustar和錢德拉x射線天文臺卻讓科學家們感到驚訝，因為它們揭示了許多ulx天體不是黑洞，而是脈衝星，它們是極其密集的恆星殘骸，看起來像燈塔一樣在脈衝。
m82x-1，銀河m82中最亮的x射線源，是另一個非常明亮的天體，似乎在符合中等質量黑洞的時標上閃爍。這些亮度的變化與黑洞的質量有關，是由在吸積盤內區域附近的軌道物質引起的。2014年的一項研究研究了x射線的具體變化，估計m82x-1的質量約為400個太陽。科學家們利用nasa的羅西x射線計時探測器（rxte）衛星的存檔數據來研究這些x射線亮度變化。
最近，科學家們研究了一個更大的中間質量黑洞。在2018年，Chilingarian和他的同事們通過重新分析斯朗數字天空調查的光學數據，並將最初的前景與錢德拉和xmm-牛頓的x射線數據相匹配，對10名候選者進行了描述。他們現在在智利和亞利桑那州用地面望遠鏡追蹤。西班牙空間科學研究所的Mar Mezcua領導了另一項2018年的研究，也是利用錢德拉的數據，發現了40個在矮星系中生長的黑洞，這些黑洞可能在這個特殊的中等質量範圍內。但Mezcua和他的合作者認為，這些黑洞最初形成於巨雲的塌縮，而不是源於恆星的爆炸。
下一步是什麼？
矮星系是值得繼續尋找的有趣地方，因為在理論上，較小的星系可以容納質量遠低於在像我們這樣的大星系中心發現的黑洞。
出於同樣的原因，科學家們也在尋找球狀星團——位於銀河系和其他星系外圍的恆星的球形密度。
Strohmayer說：“在這樣的星系中，可能存在這樣的黑洞，但如果它們沒有積聚大量物質，可能很難看到它們。”
中等質量的黑洞獵人急切地等待著nasa的詹姆斯韋伯太空望遠鏡的發射，它將回到第一批星系的黎明。webb將幫助天文學家找出哪一個是最先出現的星系或它的中心黑洞，以及黑洞是如何組合在一起的。結合x射線觀測，webb的紅外數據將對識別一些最古老的黑洞候選者非常重要。
俄羅斯航天局roscosmos在7月推出的另一個新工具是光譜x-γ，這是一個將用x射線掃描天空的航天器，它攜帶著與美國航空航天局馬歇爾太空飛行中心（nasa marshall）一起開發和建造的帶有鏡子的儀器。來自ligo-virgo合作的引力波信息也將有助於搜索，歐洲空間局計劃中的激光干涉天線（lisa）任務也是如此。
除了現有的儀器和技術外，這些新儀器和技術還將幫助天文學家繼續在宇宙花園中搜尋黑洞的種子和我們自己的星系。
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