黑洞的奇妙世界
本系列前两篇给大家讲述了宇宙中两种最主要的黑洞：X射线双星中的恒星级质量黑洞和星系中心的超大质量黑洞。这两种黑洞的发现和证认都是根据黑洞对周围物质的吸积过程和动力学过程。那么除了这两种之外，还有没有其他类型的黑洞呢？如果黑洞周围没有吸积过程，我们是不是就没有办法发现他们了呢？在这个系列的终结篇，笔者将带领大家认识一下在宇宙隐秘角落里的非主流黑洞。
待确认的黑洞系统：中等质量黑洞
在X射线双星中的黑洞，其质量大约是太阳的5到15倍，而星系中心的黑洞则拥有百万甚至上百亿倍的太阳质量。读者可能注意到了，这中间有一个巨大的跨度：为什么没有几百几千倍太阳质量的黑洞呢？这也是天文学家所困惑的问题。为了填补黑洞质量的间隙，很自然的会想到两种途径：从小往大，就是在X射线双星中寻找更大质量的黑洞；从大往小，就是寻找比银河系还要小很多的星系，他们中心的黑洞也要比银心黑洞小很多。
近年来随着观测技术和条件的提高，很多杰出的研究团队踏上了寻找这种“中等质量黑洞”的征程。
极亮X射线源
X射线双星中的中等质量黑洞是和一类叫做极亮X射线源（Ultraluminous X-ray Sources；ULXs）的特殊天体紧密联系在一起的。“Ultra”在这里是什么意思呢？这需要先理解一个概念：“爱丁顿光度”。
黑洞周围的气体受到黑洞引力而向内吸积，同时还会受到向外的辐射压力，也就是说被气体吸收的光子所携带的动量会使气体向外跑。因此X射线辐射还不能太强，否则气体就被吹跑了。那么辐射压力和黑洞引力的平衡点，就是爱丁顿光度，又称作爱丁顿极限。这个极限是由大名鼎鼎的爱丁顿爵士首先计算出来的。对，就是那个使爱因斯坦声名鹊起，又令钱德拉塞卡痛苦一生的爱丁顿。读过笔者之前文章的朋友应该对这个名字不陌生。
对于每一倍太阳质量，爱丁顿光度的数值是1.3×1031瓦。那么对于一个10倍太阳质量的黑洞，其爱丁顿光度是1.3×1032瓦。然而从上世纪八十年代开始，在附近星系我们发现了一些X射线源，其光度达到3×1032瓦以上，最高的甚至在1034瓦这个量级。这是一类很令人困惑却又极具科学价值的天体。他们并不在星系中心，因此不是超大质量黑洞，最有可能是X射线双星。
如果它们的黑洞质量是和其他典型的X射线双星一样，那么其光度就超过了爱丁顿极限很多倍，这对经典的黑洞吸积理论提出了重大挑战；如果它们遵守爱丁顿极限，那么其黑洞质量就至少是太阳的20倍，最高可以达到上千倍，于是我们就找到了传说中的中等质量黑洞。这就是所谓“Ultra”的含义。
矮星系中的黑洞
我们的银河系在宇宙中算是中等个头，拥有大约一千亿颗恒星。
宇宙中还有比银河系小很多的星系，只有银河系的百分之一甚至更小，这些星系称为“矮星系”。很多矮星系都是主要星系的“卫星”。这当中最著名的当属大小麦哲伦云了。星系中心黑洞的质量和星系的很多整体性质都存在正相关，那么既然矮星系的个头比较小，其中心的黑洞也很可能要小很多。因此矮星系就成了寻找几万到几十万倍太阳质量黑洞的最佳场所。测量矮星系中心黑洞的质量的一种方法是通过星系光谱中氢巴尔末发射线的光度和展宽。
矮星系通常比较暗，中心区域尺度也比较小，因此获得其高质量光谱还是需要强力的望远镜和光谱仪。现在星系中心最小黑洞的纪录是5万倍太阳质量，其所在的星系是SDSS J1523+1145（又称作RGG 118）。这个测量工作是由和我同一个研究组的密歇根大学博士生Vivienne Baldassare在导师Elena Gallo教授的指导下完成的。
流浪黑洞搜寻：微引力透镜
“引力”和“透镜”都是大家非常熟悉的东西了，那么把这两个词放在一起是什么意思呢？物质的引力场能够使光线偏折，产生一种与我们常见的光学透镜很类似的效应，因此称为引力透镜。爱因斯坦在二十世纪30年代建立了引力透镜的数学基础，到现在引力透镜已经成为天文学中一个非常重要而且活跃的领域。
质量巨大的星系或者星系团能够为背景天体生成十字或者环状的像，这种称为“强引力透镜”；而对于恒星甚至更小的行星级别的天体，它们在经过背景天体前方的时候只能将其光线收集起来从而使背景天体变亮，这种称为“微引力透镜”。这种效应只依赖于作为透镜的天体的质量，与它自身的辐射无关，因此微引力透镜成为研究暗弱天体的绝佳手段。黑洞自然就是其中之一。
黑洞俘获恒星：潮汐瓦解事件
前面提到，星系中心普遍存在超大质量黑洞。然而大部分星系中心黑洞的吸积活动都很微弱，无法通过强烈的X射线和光学/紫外辐射来探测它们。我们如何来发现这些“沉寂”的黑洞呢？潮汐瓦解事件（tidal disruption events）是一个重要的手段。什么是“潮汐瓦解事件”？潮涨潮落是大家非常熟悉的现象了，它是海水被太阳和月球引力相互拉扯的结果。
物理上讲，只要一个物体各个部分所受到的引力不均匀，我们就说它受到了潮汐力的作用。黑洞周围自然是有很强的引力场梯度，物体靠近黑洞和远离黑洞的两端所受引力不同。如果这个物体自身的强度无法hold住这种差别，它就要被潮汐力撕个粉碎了。说到这，读者可能会想《星际穿越》中的Cooper船长和他的飞船在进入黑洞前并没有被撕碎啊。
事实上，对于卡冈图雅这种超大质量黑洞而言，人和飞船都太小了，就像一个点一样，他们所遭受的潮汐力反而是比较温和的。但是对于恒星而言就完全不同了。黑洞在恒星身上施加的潮汐力是恒星自身的引力所无法克服的，恒星本身会被撕碎进而被黑洞吞噬。这就是潮汐瓦解事件。
双黑洞的并合之舞：引力波
谈黑洞就不能不谈引力波。毕竟黑洞的本质是引力，而引力波探测是迄今唯一不需要借助任何电磁波辐射的方法。
因此引力波是寻找黑洞的终极手段。美国激光干涉引力波天文台（LIGO）在2015年探测到了两次引力波事件。关于引力波的意义以及这两次事件，想必读者已经了解了很多了，在此不再赘述。只谈一个笔者比较感兴趣的话题，就是第一次事件GW150914中不寻常的黑洞质量。GW150914是由两个黑洞并合产生的。
这两个黑洞的质量都是在30倍左右太阳质量，这对于天文学界而言是一个很出人意料的结果，以至于还有不少质疑这次发现的声音。为什么出人意料呢？前面讲到了在X射线双星中发现的最大的黑洞也就15倍太阳质量，30倍太阳质量的黑洞从来没有确认过。读者可能会问了，15倍和30倍差别很大吗？事实上差别还真是挺大的。黑洞是大质量恒星演化的最终结果。
大质量恒星本来在演化过程中就会因为星风流失大量物质，最后变成黑洞是要通过超新星之类的爆发，这一炸大部分的质量也都飞出去了。要想最后形成30倍太阳质量的黑洞，这个恒星需要有上百倍太阳质量。宇宙中的天体都是这样的，越大越亮的天体越少，而且是幂律衰减，因此100倍太阳质量的恒星极其罕见，30倍太阳质量的黑洞也就很难寻觅。但是在这个引力波事件中，我们不仅找到了，还找到了俩，这俩还手拉手转圈。
人类真的如此幸运吗？天文学家是不相信有如此好运的，我们要探索的是这背后可能意味着哪些物理规律。这种大小的黑洞很有可能会揭示它们所在星系（或至少是它们周围的区域）一个至关重要的性质：金属丰度。
结语
从卡尔·史瓦西在一战的壕沟里给出爱因斯坦引力场方程的第一个精确解，到LIGO探测到13亿光年外黑洞并合所产生的引力波，整整经历了100年。
在这一个世纪的历程中，黑洞从一个数学模型，演变为基本物理和天文学方方面面的核心研究对象。这一过程是人类追求对自身和对宇宙认知的最佳注脚。也许从人类有认知的那一刻起，就对夜晚遥远天际的一颗颗光点充满好奇。
于是我们一笔笔勾勒出它们的样子，形成了一幅幅栩栩如生的星座图像；我们幻想它背后的故事，于是流传了牛郎织女的神话，烙下了童年关于圣斗士星矢的纯真记忆；我们渴望探索它的过去和未来，于是创作了星球大战、星际迷航无数部令人着迷的艺术作品。生在这个时代无疑是幸运的。技术的进步让我们拥有了越来越强大的武器去探索星空，探索星空背后的自然法则。为什么我们会相信在宇宙中会有黑洞这种如此奇妙的存在？
当你拿到太空望远镜为宇宙拍的一个X光片，看着上面的一个个星星点点，当你敲击键盘画一个光谱，勾勒出如驼峰般的谱线，你会觉得黑洞就像在你的手边，你甚至可以感觉到它的悸动！期望有一天我们真的可以光临黑洞视界，看一看它的里边还隐藏着哪些不为人知的奥秘！