高速分子云与中等质量黑洞的踪迹
银河系中心存在400万倍太阳质量的特大黑洞已经是众所周知了（嗯，除了自己母校的某位老教授坚持认为那一定是磁单极子聚集成团，特大质量黑洞并不存在之外……咳咳，还是不提这茬子事了），不过根据最新的分子云观测，这里可能还潜藏着另一个不太为人所知的中等质量黑洞。前几天某供职于《Newton科学世界》杂志社的友人求助审校一篇相关的新闻报道，自己才知道了这个事情。于是找到原始论文来读，记录于此。
当然，中等质量黑洞存在与否、存在于何方，还有它们的形成和演化过程如何，至今还都是极具争议性的研究话题。依稀记得宣称这类天体存在的证据一再被发现，又屡屡得不到公认甚至是被后来的研究否认。这次自然也不是直接探测，只是找到了中等质量黑洞存在于人马A*附近的间接证据而已。但与之前经由X射线强源给出的多个线索不同，新的观测是在亚毫米波和射电波段进行的。
银心分子带的一氧化碳图，其中标出了特大质量黑洞人马A*与分子云CO-0.40-0.22的位置。图中红色表示一氧化碳J=1-0谱线的速度积分图，黄色表示一氧化碳的J=3-2谱线，蓝色表示对两条谱线强度比较高的区域积分J=3-2数据的结果。（图片来源：Oka et al. 2016）
故事的关键是一个名叫CO-0.40-0.22的分子云。它是分布在人马A*周围银心分子带中的数百个致密云团之一，质量约合太阳的4000倍，宽度只有5秒差距不到，在银道坐标系下位于大型产星区人马C东南方0.2度，距离银心60秒差距，身居一个膨胀的分子气体壳边缘上。几年前，庆应大学的冈朋治等人在使用日本国家天文台10米阿塔卡马亚毫米波望远镜进行观测时，第一次注意到这个分子云的特殊之处：它的局域静止标准速度分布范围极宽，从每秒-120千米到-20千米不等。换句话说，CO-0.40-0.22速度弥散超过了每秒100千米。而且这里的一氧化碳分子J=3-2与J=1-0两条跃迁谱线的强度比极高，说明组成云团的致密气体温热且不透明度中等。符合这两种条件的分子云称为高速致密云，其原型——CO 0.02-0.02也是位于银心附近的。
差不多两年之前，冈朋治的小组又使用野边山射电天文台的45米天线在21条分子谱线波长上测量了CO-0.40-0.22。这些谱线是根据莫普拉（Mopra）22米望远镜3毫米谱线巡天的结果选择的，可以很好地勾勒这个分子云的形态，其中涉及CH3OH、NH2CHO等复杂分子，也有SO、HCN等较为简单的成分。观测表明，CO-0.40-0.22拥有其中18条谱线的辐射，在所有谱线上的形态都相当致密均匀，且普遍具有超过每秒20千米的较大速度弥散，只有CH3OH的高能态800-710A与HC3N的J=11-10线是例外。
上左：CO-0.40-0.22附近的HCN分子J=4-3跃迁谱线速度积分图，黄色椭圆标出了附近两个膨胀壳层的位置。上右：HCN分子J=4-3线的速度图在银经方向上的速度分布图。下左：SiO分子J=2-1谱线速度积分图，白点表示已知X射线源的位置。下右：SiO分子J=2-1线的速度沿下左图中粉色箭头方向的分布图。可见这两条谱线下该分子运动速度弥散极大。（图片来源：Oka et al. 2016）
高速致密云通常可能的起源包括超新星驱动的膨胀、外部膨胀气体壳的加速、双极外向流、路过的高速晕族天体，还有云团环绕大质量不可见天体的运动。对于CO 0.02-0.02这样内部具有空腔的云团而言，超新星爆发可能是较大速度弥散的合理解释。（其实对于每秒数十千米这样高的速度弥散，超新星之说可能也有点牵强。虽然星体爆发速度极快，但是激波撞击分子云后几乎就等同于撞到了固壁，速度骤减，能将云团速度扰动到每秒十余千米就已然不错了，也许这其中要涉及多次爆发？好吧本人对这方面的理论不算熟悉，还是不妄加评论了。）但是CO-0.40-0.22最明显的特点就是内部结构相对简单，缺乏空腔或膨胀的壳层，也不具备高速天体通过留下的彗状尾迹，更不存在双极外向流的迹象。而根据红外和X射线存档数据，这个分子云内部也不具备明亮的点源，只有一个远红外源IRAS 17423–2924位于云团的边缘地带，换句话说，明亮的致密天体在这里是缺席的，没有任何证据表明云团中发生过超新星爆发；暗示新生恒星（往往会发出双极流）或过路天体的红外源也了无踪影。虽然CO-0.40-0.22确实身居某个膨胀空腔的边缘，但该空腔能够为其提供的能量要比云团的整体动能小1.5个数量级，远不能满足需求。
于是可能性只剩下了一种，云团环绕大质量不可见天体运动，进而受到了后者的引力影响。估算表明，只要让CO-0.40-0.22从0.1秒差距之外通过一个质量相当于太阳10万倍的致密引力源，就可以让云团具有每秒90千米的速度；而壳层的存在也与这样的过程不矛盾，还能为引力源提供源源不断的加速对象。冈朋治等人模拟了一个高斯分布的云团飞掠大质量天体的过程，云团由200个检验粒子组成，引力源天体质量、云团初始相对引力源的y方向距离、视角以及演化时间都是可调的自由参数。结果表明，当引力源质量取为太阳的10万倍、视角45度、演化70万年，且初始y方向距离介于-1.8到-1.0秒差距时，结果与实测数据测符合得最好。
对y方向距离引力源-1.0秒差距与-1.8秒差距的气体云模拟的结果，图中红、粉色数据点分别表示距离-1.0秒差距的云团在演化70万年以及72万年后的情形，橙色表示距离-1.8秒差距的云团在76万年后的情形。左图为轨道平面上气体云的演化，其中粗箭头表示视线方向。右图是在CO-0.40-0.22的SiO分子J=2-1线灰度图上叠加的模拟云团位置-速度图。（图片来源：Oka et al. 2016）
如果这样的引力源存在，它的中心点就位于CO-0.40-0.22的中央，这里正对应分子云中速度最高的区域。10万倍太阳质量的物质分布在不到0.1秒差距的区域内，这样的密度堪与最致密的球状星团拥挤的核心相比。不过典型球状星团中心区域的质量偏小，一则可能不足以提供整个分子云的物质，二来云中缺乏其他波段的致密源，也与针对星团的预期不符，所以这个引力源最有可能就是不可见的中等质量黑洞了。
要说这个黑洞的起源？它可能是由密集的球状星团中心失控的恒星并合产生的。银心区域倒是存在若干大号球状星团，它们可能是经由动力学摩擦过程沉入这里的，所以形成黑洞的原料不成问题。不过按照黑洞与恒星系统的质量比例经验关系，10万倍太阳质量的黑洞对应1亿倍太阳质量的恒星，这几乎就是一个矮星系了。所以这样看来，CO-0.40-0.22的大速度弥散也许正是银河系吞噬周边小个子同类，进而将其中的黑洞纳为己有的见证；而这个10万倍太阳质量的黑洞若能被证实，则有力佐证了星系中心特大质量黑洞经由中等质量黑洞并合形成的理论。
银心中等质量黑洞扰动周边气体云的艺术概念图。（图片提供：Tomoharu Oka, Keio University）
这项工作在揭示中等质量黑洞存在于银心附近的线索之外，还提供了搜索同类天体的新手段。除却CO-0.40-0.22，银心区域还存在多个高速致密云，它们可能也都是寻找这种黑洞的好地方（实际上之前速度特征也曾用于恒星级质量黑洞的搜索）。今后借助高分辨率干涉观测，可以进一步研究云团中心区域的小尺度结构，从而证实或证伪中等质量黑洞之说。
文末要补充的是，冈朋治等人的论文是在今年1月初发表的，而就在一个月之后，马克斯·普朗克天体物理所的网站上就刊登了一条研究进展，声称该所与中国国家天文台以及北京大学的研究者合作进行的DRAGON数值模拟表明，球状星团的中心很可能拥有一个由大量恒星级黑洞组成的致密子系统，而并不具备过去所认为的中等黑洞。虽然全由不可见恒星残骸组成的星团核心的确能够解释CO-0.40-0.22的速度和形态特征，但这种子系统本身充当该云团的引力源可能有些玄乎（球状星团中的成员全部演化为致密星所需的时间超过了现今宇宙的年龄，而什么样的过程才能在合理的时标内单单剥离掉星团中的普通恒星，只剩下同等质量的一群黑洞呢？想不通啊……）。不过DRAGON的结果莫非是中等质量黑洞源自矮星系而非球状星团的一个侧面证据？可是这样一来，此类黑洞的形成途径又成了麻烦。只是有一点，无论是DRAGON等星团演化模拟，还是冈朋治这样基于射电数据的间接推测，其中的不确定因素都很大，所以情况究竟如何，在未来还是有不小的商榷空间的。
DRAGON模拟给出的球状星团在60秒差距的范围内各个成分的分布图，相应的模拟星团由100万颗恒星组成，年龄为120亿年。其中中心小图是星团整体情况，周边左上起依次表示主序星（MS）、红巨星（RG，也是星团整体辐射的主导天体）、恒星级黑洞（BH）、双星（Binary）、白矮星（WD）以及渐进巨星支恒星（AGB）的分布情况。在最右侧的黑洞分布图中，星团中央的致密黑洞子系统清晰可见。（图片提供：MPA）
