探尋宇宙中質量最小的黑洞，只有更小沒有最小！

多見者博，多聞者智，拒諫者塞，專己者孤。——桓寬 引自《鹽鐵論.制議》

當我們把目光投向天空，探索星系的深處，除了有照亮宇宙的恒星，或行星、星云以外，還有一些我們肉眼完全看不見的物質形式。

今天說的不是那些在可見光中看不到的冷氣體和塵埃，也不是一些褐矮星或是暗物質！而是大家已經很熟悉的黑洞！前幾天我們了解了宇宙中質量最大的黑洞，在類星體TON618中我們發現了660億個太陽質量的黑洞，那宇宙中有沒有最小的黑洞呢？它的質量是多少？

我們如何確定附近星系黑洞的質量？

對于黑洞的研究我們已經取得了長足的進步，以前只在理論上存在的天體，我們已經在M87星系的中心拍攝到了黑洞的真容，這個黑洞質量足有65億個太陽質量！那么我們的銀河系的中心呢？

當我們把最大的無線電望遠鏡指向位于銀河系中心的“黑暗”塵埃帶時，下圖就是我們所看到的，在人馬座A*這個非常小、非常特殊的位置上，有一個明亮的射電源。

看起來真的沒啥特別的，但是我們發現周圍的恒星正以非常高的速度圍繞這個位置的某個物體運動，根據周圍恒星軌道的運行情況，根據我們已知的萬有引力定律，我們不難算出這個物體的質量是太陽質量的400萬倍，而且它還不發出可見光。這不僅是我們確信銀河系中心超大質量黑洞存在的理由，也是我們知道黑洞質量的一種方法！

曾經有小伙伴問，星系中心是不是都有黑洞啊！事實上，我們目前很確信在星系的中心都存在黑洞，而且大多數星系的中心都有超大質量的黑洞，其中很多黑洞的大小是銀河系中心這個龐然大物的許多許多倍。上文說的那個660億倍的肯定也不是宇宙的極限，因為我們已知的最大IC 1101星系中心黑洞目前還沒有被確認，據估計有400-1000億倍的太陽質量！

超大質量黑洞目前被認為是由數百萬顆古老的大質量恒星的尸體合并和吞噬而形成的。

一個典型的黑洞是如何產生的？

當我們觀察一個年輕的星團時，體積最大、質量最大、光度最高的恒星十分顯眼，很容易就會被觀察到。人們下意識地會想：這些體積質量越大的恒星，由于燃料充足，可能會活的更久一點，但直覺一般都是錯誤的！

像O級和B級這樣的大質量恒星是太陽質量的幾十倍甚至幾百倍，但它們燃燒燃料的速度非常快，在短短的幾百萬年甚至是幾十萬年就將核心的燃料消耗殆盡，而我們太陽能活120億年左右，這就是差距！絕大多數的大質量恒星在生命的末期，會死于Ⅱ型超新星爆發。其核心會坍縮形成一顆中子星或黑洞！

在整個恒星的生命周期中，引力一直在壓縮恒星，將其向內并試圖使恒星坍縮。而核聚變發生在恒星的核心處，產生的輻射壓力可以抵抗外部的引力，使恒星保持正常的體積和壓力平衡。當核心的核聚變停止時，引力就會使核心坍縮，而這時抵抗引力的是原子內電子之間的簡并壓（泡利不相容原理）。

在類太陽恒星中（甚至是四倍于太陽質量的恒星），當核聚變結束時，恒星的核心將縮小到地球的大小，形成一顆白矮星！但不會進一步縮小，這時就是原子在支撐著整個恒星！

電子之間的簡并壓力也并非不可突破，一顆超過太陽質量4倍的恒星就會變成超新星，它的中心區域在坍縮到原子階段之后，會將原子“壓碎”將電子壓進原子核并于質子結合，形成一個純中子的天體，稱為中子星！

中子星的質量大約和太陽相當，但體積不像地球那么大，而是在一個直徑只有幾公里的天體！

雖然原始恒星只有一小部分質量會留在核心，但隨著原始恒星質量大小的不同，遺留下的中子星質量也在發生變化，當中子星的質量超過了太陽的3倍，中子也會屈服于引力，被壓縮到一個體積無限小，空間曲率無限大，甚至連光也無法逃脫的天體：黑洞！這就是中子星到黑洞的過程！

已知最小的黑洞是什么？現在就我們發現的，有三位候選者。

• IGR J17091-3624：雙星系統中的一個黑洞，科學家可以探測到它，是因為雙星黑洞系統產生了非常強烈的恒星風！并不是有物質落入了黑洞，而是這個黑洞吸積伴星的物質，并將大約95%物質噴射到星際介質中。這是一個低質量黑洞，質量只有太陽質量的3到10倍。

• GRO J0422+32：也是一個雙星系統，離地球只有8500光年，估計出來的質量相差很大。一些團隊聲稱這是一顆中子星，質量只有太陽的2.2倍；有人說它的質量接近太陽的4倍，毫無疑問，現在還沒有定論。

• XTE J1650-500：最初官宣的時候它只有3.8個太陽質量，但后來重新估計后，被修正為更接近太陽質量的5倍。這還是一個雙星系統，黑洞從吸積盤穩定的發射x射線，科學家一般都是根據黑洞外部發出的輻射和黑洞質量之間的關系，來確定遙遠黑洞質量的，目前出入還是比較大的！

無論是2.5倍、2.7倍、3.0倍還是3.2倍太陽質量，這對于一個黑洞來說質量已經十分小了。你可能也會認為這是黑洞可能存在的最小質量。但實際上還有另外三種可能性！

總結：就黑洞來說，沒有最小只有更小

• 中子星-中子星合并！

兩個中子星的合并過程會產生宇宙中大多數的重元素，比如黃金。在宇宙中，中子星的數量要比黑洞多的多，雖然兩顆中子星碰撞的情況相對較少，在一個星系中每10000到10萬年左右發生一次，但我們知道，宇宙已經有138億年的歷史，包含了近1萬億個星系！從這些尺度來看，中子星的合并在宇宙中十分常見！

很有可能，當兩顆中子星相撞時，即使它們本身的質量沒有完全超過形成黑洞的門檻，但這個過程也極有可能在形成超新星爆發后，留下一個黑洞。就在我們銀河系中已經發生了大約10萬到100萬個中子星合并的事件！所以我們很有希望在銀河系內就可以找到一個2倍左右太陽質量的黑洞。

• 黑洞會隨著時間的推移失去質量！

由于真空存在量子波動，無論在黑洞的內部、外部還是視界上，都會產生粒子-反粒子的波動，這些粒子會在真空中瞬間出現然后瞬間湮滅，以保證能量守恒。如果有一個波動的虛粒子掉入了黑洞，那么另外一個粒子會從黑洞中帶走能量，變為實粒子發生逃逸！盡管這個過程發生得非常緩慢，但由于霍金輻射，黑洞還是會慢慢蒸發!

我們要知道這種輻射不是來自黑洞噴射出來的粒子或反粒子流，而是一些能量非常低、幾乎恒定的黑體輻射通量。

那么在巨大的時間尺度上，比如10^68或10^69年，一些質量最低的黑洞就會慢慢的失去質量，最后完全蒸發！

所以，如果你想看到一個質量更小的黑洞，這個好辦，說話間有些黑洞已經消失了。以前還有一個微型黑洞的說法，下面了解下。

• 宇宙生來就有微型黑洞（量子黑洞）？

原始微型黑洞的概念可以追溯到20世紀70年代，這是一個非常好的想法，但是后來的事實證明這不可能。事情是這樣的，宇宙曾經是一個熱的，密集的，均勻的，快速膨脹的狀態。如果一個很小的區域密度比平均密度高了68%，那么這個區域會自動坍縮成一個黑洞，如果宇宙一開始有很多這樣的小區域，我們可能會得到一個充滿微型黑洞的宇宙。

但事實上我們已經測量了早期宇宙密度波動的大小，也就是微波輻射的波動，以及從最大尺度到最小可測量尺度，密度波動是如何隨尺度變化的。

最大的波動并沒有比平均水平高出68%，而是只比平均水平高出了0.003%，遠遠不足以形成一個原始黑洞。而且觀察的尺度越來越小，波動也會變得越來越小，所以微型黑洞是不可能的。

以上就是宇宙中最小黑洞的故事，從我們知道的黑洞到我們還沒有發現的黑洞，再到我們需要等待的黑洞！