I universums stora trädgård, de tyngsta svarta hålen växte från frön. Näring av gasen och damm de förbrukade, eller genom att slås samman med andra täta föremål, dessa frön växte i storlek och tjocknade för att bilda galaxernas centrum, som vår egen Vintergatan. Men till skillnad från växternas rike, fröna av gigantiska svarta hål måste ha varit svarta hål, för. Och ingen har någonsin hittat dessa frön – ännu.

En idé är att supermassiva svarta hål – motsvarande hundratusentals till miljarder solar i massa – växte från en population av mindre svarta hål som aldrig har setts. Denna svårfångade grupp, "svarta hål med mellanmassa, " skulle väga in någonstans mellan 100 och 100, 000 solar. Bland de hundratals svarta hål som hittills hittats, det har funnits många relativt små, men ingen säkert i det mellanliggande massområdet "öknen".

Forskare arbetar med kraftfulla rymdteleskop från NASA, såväl som andra observatorier, att spåra avlägsna föremål som passar beskrivningen av dessa exotiska enheter. De har hittat dussintals möjliga kandidater och arbetar för att bekräfta att de är svarta hål. Men även om de gör det, som öppnar upp ett helt nytt mysterium:Hur bildades svarta hål med mellanmassa?

"Vad är fascinerande, och varför människor har ägnat så mycket tid åt att försöka hitta dessa svarta hål med mellanmassa, beror på att det kastar ljus över processer som hände i det tidiga universum - vilka var massorna av reliksvarta hål, eller nya formningsmekanismer för svarta hål som vi inte har tänkt på ännu, sa Fiona Harrison, professor i fysik vid Caltech i Pasadena, Kalifornien, och huvudutredare för NASA:s NuSTAR-uppdrag, som förvaltas av Jet Propulsion Laboratory.

Svart hål 101

Ett svart hål är ett extremt tätt föremål i rymden från vilket inget ljus kan fly. När material faller i ett svart hål, det har ingen utväg. Och ju mer ett svart hål äter, desto mer växer den i både massa och storlek.

De minsta svarta hålen kallas "stjärnmassa, " med mellan 1 och 100 gånger solens massa. De bildas när stjärnor exploderar i våldsamma processer som kallas supernovor.

Supermassiva svarta hål, å andra sidan, är de centrala ankaren i stora galaxer – till exempel, vår sol och alla andra stjärnor i Vintergatan kretsar runt ett svart hål som kallas Skytten A* som väger cirka 4,1 miljoner solmassor. Ett ännu tyngre svart hål – med hela 6,5 ​​miljarder solmassor – fungerar som mittpunkten för galaxen Messier 87 (M87). M87:s supermassiva svarta hål visas på den berömda bilden från Event Horizon Telescope, visar ett svart hål och dess "skugga" för allra första gången. Denna skugga orsakas av händelsehorisonten, det svarta hålets point of no return, böjer och fångar ljus med sin starka gravitation.

Supermassiva svarta hål tenderar att ha skivor av material runt sig, kallade "accretion diskar, "gjord av extremt varma, högenergipartiklar som lyser starkt när de närmar sig händelsehorisonten – det svarta hålets område utan återvändo. De som får deras skivor att lysa starkt eftersom de äter mycket kallas "aktiva galaktiska kärnor".

Tätheten av materia som behövs för att skapa ett svart hål är häpnadsväckande. Att göra ett svart hål 50 gånger solens massa, du skulle behöva packa motsvarande 50 solar i en boll som är mindre än 200 miles (300 kilometer) i diameter. Men i fallet med M87:s mittpunkt, det är som om 6,5 miljarder solar komprimerades till en boll som var bredare än Plutos omloppsbana. I båda fallen, densiteten är så hög att det ursprungliga materialet måste kollapsa till en singularitet - en sönderrivning av rum-tidens väv.

Nyckeln till mysteriet med svarta håls ursprung är den fysiska gränsen för hur snabbt de kan växa. Till och med de gigantiska monstren i galaxernas centrum har begränsningar när det gäller att äta frenesi, eftersom en viss mängd material trycks tillbaka av den högenergistrålning som kommer från heta partiklar som accelereras nära händelsehorisonten. Bara genom att äta omgivande material, ett svart hål med låg massa kanske bara kan fördubbla sin massa om 30 miljoner år, till exempel.

"Om du utgår från en massa på 50 solmassor, du kan helt enkelt inte odla den till 1 miljard solmassor under 1 miljard år, sade Igor Chilingarian, en astrofysiker vid Smithsonian Astrophysical Observatory i Cambridge, Massachusetts, och Moscow State University. Men "som vi vet, det finns supermassiva svarta hål som existerar mindre än 1 miljard år efter universums bildande."

Hur man gör ett svart hål som du inte kan se

Tidigt i universums historia, fröet till ett svart hål med medelmassa kan ha bildats antingen genom kollapsen av ett stort, tätt gasmoln eller från en supernovaexplosion. De allra första stjärnorna som exploderade i vårt universum hade rent väte och helium i sina yttre lager, med tyngre grundämnen koncentrerade i kärnan. Detta är ett recept på ett mycket mer massivt svart hål än exploderande moderna stjärnor, som är "förorenade" med tunga grundämnen i sina yttre lager och därför förlorar mer massa genom sina stjärnvindar.

"Om vi ​​bildar svarta hål med 100 solmassor tidigt i universum, några av dem borde smälta samman, men du borde då producera en hel rad massor, och då borde några av dem fortfarande finnas kvar, sa Tod Strohmayer, astrofysiker vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Dåså, var är de om de bildades?"

En ledtråd om att svarta hål med medelmassa fortfarande kan finnas där ute kom från National Science Foundations Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), ett samarbete mellan Caltech och Massachusetts Institute of Technology. LIGO detektorer, kombinerat med en europeisk anläggning i Italien som heter Virgo, visar upp många olika sammanslagningar av svarta hål genom krusningar i rumtiden som kallas gravitationsvågor.

2016, LIGO tillkännagav en av det senaste halvseklets viktigaste vetenskapliga upptäckter:den första gravitationsvågsdetekteringen. Specifikt, detektorerna baserade i Livingston, Louisiana, och Hanford, Washington, fångat upp signalen om två svarta hål som smälter samman. Massorna av dessa svarta hål – 29 och 36 gånger solens massa, förvånade vetenskapsmän. Även om dessa fortfarande inte är tekniskt sett av medelmassa, de är tillräckligt stora för att höja ögonbrynen.

Det är möjligt att alla svarta hål med medelmassa redan har smält samman, men också att tekniken inte har finjusterats för att hitta dem.

Så var är de?

Att leta efter svarta hål i öknen med medelmassa är knepigt eftersom svarta hål i sig inte avger något ljus. Dock, forskare kan leta efter specifika tecken med hjälp av sofistikerade teleskop och andra instrument. Till exempel, eftersom flödet av materia till ett svart hål inte är konstant, klumpigheten hos förbrukat material orsakar vissa variationer i ljusutbytet i miljön. Sådana förändringar kan ses snabbare i mindre svarta hål än större.

"På en tidsskala av timmar, du kan göra observationskampanjen som för klassiska aktiva galaktiska kärnor tar månader, " sa Chilingarian.

Den mest lovande svarta hålskandidaten med medelmassa heter HLX-1, med en massa på cirka 20, 000 gånger solens. HLX-1 står för "Hyper-Luminous X-ray Source 1, " och dess energiproduktion är mycket högre än solliknande stjärnor. Den upptäcktes 2009 av den australiensiske astronomen Sean Farrell, med hjälp av Europeiska rymdorganisationens XMM-Newton röntgenrymdteleskop. En studie från 2012 med hjälp av NASA:s rymdteleskop Hubble och Swift fann förslag på ett kluster av unga blå stjärnor som kretsade kring detta objekt. Det kan en gång ha varit centrum för en dvärggalax som svaldes av den större galaxen ESO 243-49. Många forskare anser att HLX-1 är ett beprövat svart hål med medelmassa, sa Harrison.

"Färgerna på röntgenljus det avger, och precis hur det beter sig, är väldigt lik ett svart hål, ", sa Harrison. "Många människor, inklusive min grupp, har program för att hitta saker som ser ut som HLX-1, men än så länge är ingen konsekvent. Men jakten fortsätter."

Mindre ljusa föremål som kan vara svarta hål med medelmassa kallas ultraluminösa röntgenkällor, eller ULX. En flimrande ULX kallad NGC 5408 X-1 har varit särskilt spännande för forskare som letar efter svarta hål med medelmassa. Men NASA:s NuSTAR och Chandra röntgenobservatorier förvånade forskarna genom att avslöja att många ULX-objekt inte är svarta hål. Istället, de är pulsarer — extremt täta stjärnrester som ser ut att pulsera som fyrar.

M82 X-1, den ljusaste röntgenkällan i galaxen M82, är ett annat mycket ljust objekt som verkar flimra på tidsskalor som överensstämmer med ett svart hål med medelmassa. Dessa förändringar i ljusstyrka är relaterade till massan av det svarta hålet och orsakas av kretsande material nära det inre området av accretionskivan. En studie från 2014 tittade på specifika variationer i röntgenljus och uppskattade att M82 X-1 har en massa på cirka 400 solar. Forskare använde arkivdata från NASA:s Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE) satellit för att studera dessa variationer i röntgenljusstyrkan.

Senast, forskare undersökte en större grupp av möjliga svarta hål med medelmassa. Under 2018, Chilingarian och kollegor beskrev ett urval av 10 kandidater genom att omanalysera optisk data från Sloan Digital Sky Survey och matcha de initiala utsikterna med röntgendata från Chandra och XMM-Newton. De följer nu upp med markbaserade teleskop i Chile och Arizona. Mar Mezcua från Spaniens institut för rymdvetenskap ledde en separat studie 2018, använder även Chandra-data, hitta 40 växande svarta hål i dvärggalaxer som kan vara i det speciella mellanmassaområdet. Men Mezcua och medarbetare hävdar att dessa svarta hål ursprungligen bildades i kollapsen av gigantiska moln snarare än genom att ha sitt ursprung i stjärnexplosioner.

Vad kommer härnäst

Dvärggalaxer är intressanta platser att fortsätta leta eftersom, i teorin, mindre stjärnsystem kan ha svarta hål med mycket lägre massa än de som finns i mitten av större galaxer som vår egen.

Forskare söker också efter klothopar – sfäriska koncentrationer av stjärnor som ligger i utkanten av Vintergatan och andra galaxer – av samma anledning.

"Det kan vara så att det finns svarta hål, i sådana galaxer, men om de inte samlar på sig mycket materia, det kan vara svårt att se dem, " sa Strohmayer.

Jägare med mellanmassa av svarta hål väntar ivrigt på lanseringen av NASA:s rymdteleskop James Webb, som kommer att titta tillbaka till de första galaxernas gryning. Webb kommer att hjälpa astronomer att ta reda på vilken som kom först - galaxen eller dess centrala svarta hål - och hur det svarta hålet kan ha satts ihop. I kombination med röntgenobservationer, Webbs infraröda data kommer att vara viktiga för att identifiera några av de äldsta svarta hålskandidaterna.

Ett annat nytt verktyg som lanserades i juli av den ryska rymdorganisationen Roscosmos heter Spectrum X-Gamma, en rymdfarkost som ska skanna himlen med röntgenstrålar, och bär ett instrument med speglar utvecklade och byggda med NASA Marshall Space Flight Center i Huntsville, Alabama. Gravitationsvågsinformation som flödar från LIGO-Virgo-samarbetet kommer också att hjälpa till i sökandet, liksom European Space Agencys planerade Laser Interferometer Space Antenna (LISA) uppdrag.

Denna flotta av nya instrument och teknologier, förutom nuvarande, kommer att hjälpa astronomer när de fortsätter att leta igenom den kosmiska trädgården efter frön av svarta hål, och galaxer som våra egna.