宇宙中有多少黑洞？它们都在哪里？

LIGO探测到的两个发生合并的黑洞（想像图）。LIGO

人类有史以来第三次明白无误地收到了来自黑洞的信号。黑洞的存在现在似乎已经成了一个难以被否认的事实了。那么根据人类现在所知，我们是否有可能统计出宇宙中究竟存在着多少黑洞？它们又都在哪里呢？

天文学家寻找黑洞的方法除了引力波探测，还可以在X射线波段上进行观测。著名的钱德拉X射线天文台，就是一台飞行在地球轨道上的太空望远镜。它可以逐个识别来自深空的点状X射线源。这些X射线光点大多来自遥远的星系，通常就是星系中心存在超大质量黑洞的证据。

钱德拉X射线望远镜拍摄的深空X射线源。每一个亮点都是一个X射线源，对应着一个河外星系及其中心黑洞发出的信号。NASA

大多数星系中心都至少存在一个超大质量黑洞，这些黑洞的质量至少是太阳的数百万倍，甚至可以高达数十亿倍。但宇宙中的黑洞可远远不止这些。

LIGO能够接二连三地探测到黑洞合并事件，证明双黑洞的数量在宇宙中非常多。当前我们还没有办法对此进行精确统计。但是我们可以作个粗略的估计。假设LIGO平均每两个月探测到一次黑洞合并事件，那么每一个和银河系规模相仿的星系，至少应该拥有几十对这样的黑洞。

X射线探测结果表明，宇宙中还应该存在着许多质量较小的双黑洞，它们的数量可能比LIGO探测到的双黑洞多。除此之外，还有许多黑洞是孤立的。孤立黑洞的数量可能是最多的。粗略估计，银河系较大质量双黑洞（10至100于太阳质量）、较小质量双黑洞（3至15于太阳质量）、孤立黑洞的比例至少应该是10:100:1000。但实际上孤立黑洞的数量可能还要远远高于这一估计。

黑洞是一种极难探测的天体。因此我们只能发现那些最活跃、质量最大，正处于极端状态中的个体。黑洞相互回旋和合并是一种非常奇妙的现象，但以整个宇宙为基数，这样的事件却是非常罕见的。有的黑洞质量没有那么大，有的黑洞质量很大却又不是那么活跃。因此我们所看到的黑洞，只占所有黑洞的一小部分。

还有一个办法，可以对黑洞的数量和分布进行估计。这涉及到黑洞形成的原理。我们没有办法直接看到黑洞，却能够看到满天的繁星。通过对恒星演化规律的认识，我们可以统计出黑洞诞生的概率。从中，我们可以得到一些较为靠谱的数字。

黑洞的基本形成方式一般有三种。一种是超新星爆发。恒星质量如果达到太阳的8至10倍，它们死亡之时就会爆发成超新星；恒星质量如果达到太阳的20至40倍，超新星爆发后就会留下一个黑洞。

二是中子星的合并，以及它们对外部物质的攫取。中子星是质量达不到太阳20至40倍的恒星，在爆发为超新星后留下的残骸。中子星如果发生合并，或是从其伴星处攫取了大量物质，那么当它的质量累积超过临界点后，就会变成一个黑洞。

三是物质的直接坍缩。理论上，如果某处星云物质的质量超过25个太阳，那它坍缩后就会直接制造出一个黑洞。

因此我们可以根据质量，从所有恒星中筛选能够形成黑洞的恒星。临近宇宙中大约只有0.1-0.2%的恒星拥有足够大的质量，有能力爆发成超新星，而这其中的大部分又只够形成中子星。所有恒星中大致有一半是以双星存在的，而大部分的双星质量之和达不到变成黑洞的临界点。也就是说，银河系4000亿恒星中的大部分不会形成黑洞。

但是尽管如此，还是有一部分恒星会变成黑洞。最重要的是，纵观宇宙从古至今的整个历史，曾经出现过的足以形成黑洞的恒星数量就很多了。

恒星的质量有大有小，从古至今都是如此，虽然某一时期具体数量不同，但大质量恒星总是少数，中等质量的恒星位居其次，而低质量恒星永远是大头。在我们周边宇宙，每4颗恒星中就有3颗属于低质量的红矮星。它们的质量只有太阳的8-40%。在许多新生星团中，大质量恒星总是最少的。但经过历史的累积，它们的数量就很可观了。而且年轻星系中产星区的规模和它们拥有的物质量也要比今天大得多。

剑鱼座30。NASA

剑鱼座30是本星系群中质量最大的产星区，其质量相当于40万个太阳。那里有数千颗炽热蓝星，其中数百颗有成为超新星的潜质，这数百颗巨星中，又有10-30%可能会变成黑洞。

银河系过去曾经拥有许多这样的产星区。规模最大的则都集中在旋臂和银心附近区域。而这些地方，正是脉冲星（中子星）和伽马射线源集中的地方，因此大部分黑洞也应该分布在这些区域。由此我们可以得到一张黑洞的分布图，以及一个与之相称的合理解释。

费米全天高能射线分布图。NASA

这是费米全天点状伽马射线源的分布图。看起来像是一幅银河系的星图。只是银盘非常突出。由于伽马射线源会渐渐消褪，所以这里展现的大多是新近才出现的伽马射线信号源。和这幅图对照一下，一张黑洞分布图就会显现出来。黑洞的分布大体上也会遵循这样的高能辐射分布形态。它们大多集中在银心附近，越向外越稀疏。它们围绕着星系形成了一个球体，包含至少1亿个个体。

黑洞在宇宙中并不罕见，但它们中的大多数都很平静，不为人所知，很难加以探测。宇宙演化至今，在现存和存在过的大质量恒星中，有大约95%已经消亡。它们中大概有四分之一变成了黑洞。这些恒星的幽灵大部分仍然潜伏在星系中。我们的银河系如此，其它星系大部分也是如此。

椭圆星系M87中心产生的黑洞喷流。蓝色的喷流是在X射线波段上拍到的。NASA

至于椭圆星系，它们中的大部分黑洞应该是簇拥在星系中心周围，就像它们中的大部分恒星一样。许多黑洞会在引力的作用下，经历一个质量筛选的过程，逐渐朝着星系的引力陷井——星系中心迁徙。也许这就是为什么超大质量黑洞会变得如此巨大的原因。但是现在还没有直接的证据。

简而言之，今天在我们的银河系中，恒星和黑洞比例大约是1000比1。而它们的聚集之处，大多也是恒星密度高的地方。当然这一结果也不一定对，因为人类毕竟还没有直接看到过它们。