我两个黑洞相遇就像一段经典的浪漫故事。这种吸引力几乎是瞬间产生的。它们围绕着对方跳舞，越转越近，直到……
直到什么时候？和任何恋爱一样，这也是事情变得一团糟的地方。
爱因斯坦的广义相对论首先预言了黑洞，它是时空-引力井结构中的无底洞，深到没有任何东西，甚至光都不能逃脱。只有几个太阳质量的小黑洞像无声的地雷一样散落在宇宙中，而最大的黑洞，超大质量黑洞，占据了几乎每个星系的中心，吞噬着下落的物质洪流。这些巨星的质量相当于数亿个太阳;天文学家认为，它们是由一长串星系合并而成的——几十个，甚至上百个，可以追溯到宇宙早期的幸福结合。
“我们对宇宙结构形成的整个图景，包括小星系合并到一起形成大星系，大星系合并到更大的星系的分级过程，”俄亥俄州奥柏林学院研究黑洞碰撞的物理学家罗伯特·欧文说，他是模拟极端时空合作的一部分。每一次合并都要花费数亿年甚至更长时间——太长了，以至于我们无法看到实际发生的情况——但理论家们可以用计算机代码模拟再现整个过程。
麻烦就从这里开始。当物理学家进行模拟时，一对碰撞星系中的两个中心黑洞被卡住了。黑洞很少（如果有的话）发生正面碰撞。相反，因为它们在相遇时通常沿着单独的、不对齐的路径行进，所以它们守恒的角动量会使它们彼此螺旋式旋转。它们越走越近，相互吸引的俘虏，直到它们以三光年或一帕塞克的距离在轨道上公转。然后，就像羞涩的恋人一样，他们不再往前走。
为什么？欧文提供了一个类比：想象你的手是这些黑洞中的一个，你把它放在一桶水里旋转，这桶水代表着一大群正在合并的银河系物质。起初，水会挤压你的手，减慢它的速度。在太空中，这种被称为动力摩擦的引力相互作用降低了黑洞在轨道上的角动量，使其向同伴漂移。但是随着时间的推移，水桶里的水开始沿着你手的方向流动，所以你感觉阻力减小了。类似地，在模拟的银河系合并中，恒星和其他物体将它们的运动与两个旋转黑洞的路径对齐。随着动力摩擦逐渐消失，黑洞进入稳定轨道。
这是时空本身运动的结构。
如果物理学家关于宇宙形成的说法是正确的，那么这样成对的黑洞最终应该会相互碰撞并消耗，成为一体。但要做到这一点，它们必须以某种方式损失足够的能量，以恢复其通过最终帕塞克的向内螺旋。一旦它们相距几十亿英里（约0.001帕斯卡），广义相对论说，它们将在重力波的大高潮中抛弃最后的轨道动量，重力波是时空中因重力扰动而产生的涟漪。这最后一次爆发的能量将黑洞集中在一起，在数小时、数天或数年内完成这项工作，这取决于黑洞的质量。
是什么驱使着这种致命的拥抱?这个问题被称为“最后的秒差距问题”，它不仅仅是一个好奇的问题。这个问题的答案可能会改变我们对宇宙如何构建其复杂结构的理解，以及对引力本身性质的理解。这就是为什么，当物理学家们不断地修改他们的模拟模型时，天文学家们却在天空中寻找线索，以了解黑洞如何在野外解决最后的秒差距问题——如果它们真的能解决的话。
O在过去的30年里，天文学家收集了数百个星系在不同碰撞阶段的双超大质量黑洞的快照。但即使是最亲密的肖像也无法显示出距离超过几千秒差距的成对环绕。加州理工学院的计算科学家马修·格雷厄姆说:“寻找更接近合并的，秒差或更小的，是非常困难的。”即使是地球上最大的望远镜也无法放大到足以分辨两个黑洞在如此紧密的轨道上的图像。
因此格雷厄姆和他的同事们转而通过一种间接的途径进行搜索：闪烁的类星体光。类星体是巨大的古老星系中极其明亮的核心。当物质向中心的超大质量黑洞旋转时，它积累成一个圆盘，圆盘的角动量将其中的一部分质量转化为辐射，使银河系自身更加耀眼。由于气体和尘埃不会以平滑的气流流入圆盘，类星体光会发生变化，通常是以随机模式。
但在2013年底，格雷厄姆说，一颗类星体“脱颖而出”。他和他的同事们使用了一项名为“卡特琳娜实时瞬态调查”(Catalina Real-Time Transient Survey)的合作项目长达10年的数据，发现了一个奇怪的可预测信号:在距离地球35亿光年的地方，类星体“PG 1302-102”似乎每五年半就会变得更亮或更暗，就好像有人在慢慢地打开宇宙的调光开关。
这些稠密的、旋转的恒星爆炸残骸像海洋上的浮标一样点缀着宇宙，以原子钟的精确度将无线电波束扫过地球。
是什么导致了这一周期？格雷厄姆说：“我们想出了四到五种不同的物理场景。”。例如，第二个超大质量黑洞的旋转可能会像探照灯光束一样，常规地重定向类星体的辐射喷流。或者，这个额外的黑洞正在扭曲旋转物质的圆盘，从而使类星体有规律地变亮变暗。所有研究人员的解释都有一个共同点：只有当PG 1302-102中心的黑洞实际上是两个黑洞时，它们才有意义。
如果在PG 1302-102的中心真的有一个黑洞双星，Graham和他的团队估计它们之间的距离只有0.01秒差距。哥伦比亚大学(Columbia University)的一个研究小组进行的另一项分析表明，这两个黑洞之间的距离更近，相差0.001秒，也就是我们太阳系的直径——在这个点上，黑洞应该会像衣服一样释放引力波，将它们投入彼此的怀抱。不管怎样，如果研究人员正确解读PG 1302-102的信号，寓意是一样的:大自然已经解决了最后的秒差问题。
格雷厄姆和其他研究人员到目前为止已经在卡塔琳娜数据集中确定了100多个类星体，他们认为这些类星体可能包含黑洞双星，所有这些都很容易在最终的帕塞克内完成。如果他们能证实自己的怀疑，这些候选人可以让他们一窥《撞机事件》的大结局，而《自然》对此一直隐藏得很好。
T然而，在最后的秒差距问题上的重大突破——揭示了黑洞如何从稳定的轨道上释放自己，完成它们的结合——可能来自于以一种全新的方式观察宇宙。“我们真的只是在电磁波上摸索，”欧文说，他描述了用传统望远镜寻找致密黑洞双星的努力。理论上，黑洞合并释放的能量应该是超新星爆炸的1亿倍，但所有这些能量都是以引力波的形式出现的，而不是光。“我们试着用眼睛去听——这就像在听不到鼓的情况下，只能通过看它来推断鼓在震动。”
通过引力波观测黑洞碰撞可以给天文学家一个更清晰的视角。加州理工学院和马克斯普朗克射电天文学研究所的天体物理学家Chiara Mingarelli解释说：“来自星系中心的光经常被气体和尘埃云团吸收、重新发射或散射，产生了一幅模糊而扭曲的图像。”。“[引力]涟漪不在乎是否有气体和尘埃，它们不受干扰地通过。这是时空本身运动的结构。”
然而，发现这些涟漪并不容易：引力波天文学是一门新兴的科学，还没有返回一次探测。更重要的是，像LIGO这样以激光为基础的最先进的天文台对天文学家怀疑从PG 1302-102这样的亲密黑洞双星中产生的缓慢振荡波并不敏感。
研究人员希望用大自然提供的“望远镜”：毫秒脉冲星来探测这些扰动。这些密集、旋转的爆炸恒星尸体像海洋上的浮标一样点缀着宇宙，以原子钟的精度扫过地球的无线电波束。通过监测我们自己的银河系中几十颗毫秒脉冲星（一种“脉冲星计时阵列”）的滴答声，天文学家可以寻找揭示两个黑洞穿过遥远星系中最终帕塞克的引力波激增的迹象。
这些波的光谱特征，从快速的颤振到缓慢的涌浪，以及介于两者之间的一切，都将提供数据，物理学家可以根据这些数据测试统一过程的新模型或修正模型。“脉冲星正时阵列是我们必须告诉我们在最后一秒的规模上发生了什么，真正推动二元黑洞合并的最后阶段的工具。”密尔沃基威斯康星大学研究这些碰撞的研究生Joseph Simon说。
没有引力波也可以提供一个重要的线索。Simon说，经过近十年的计时，脉冲星计时阵列“终于足够灵敏，即使不探测也能告诉我们发生了什么。”这些阵列尚未探测到引力波的气味，这一事实可能意味着，理论家对碰撞黑洞穿过最终帕塞克后会发生什么的理解并不完全正确。在最后一次坠落中损失的一些能量可能会通过与附近恒星和气体的一些未知的相互作用而流失，而不是以引力辐射的形式爆发。例如，也许黑洞会把一些转向它们的恒星抛走。或者它们的引力扭转了周围的尘埃和气体盘。如果物理学家们能找出这种能量消耗机制，它可能首先解释了合并黑洞如何穿过最终的帕塞克。
他们的计算将把他们带到爱因斯坦预测的边缘。欧文说：“我们谈论广义相对论时，认为它是一个极为可靠的理论，从某种程度上说，它是物理学中最为准确可靠的理论。”。但科学家从未在极端引力事件中测试过它，比如黑洞合并，在黑洞合并中，物理学与艾萨克·牛顿（Isaac Newton）三个多世纪前提出的定律发生了巨大的偏离；能量、动量和质量等熟悉的概念失去了意义。如果黑洞结合产生的引力爆发确实比广义相对论所说的要弱，那么也许是时候进行调整了。
最终，完成黑洞的爱情故事将告诉我们，我们在地球上的旅程是怎样的，无论我们是在万有引力波的洪流中滚动，还是在涓涓细流中滚动。“这真的是一个非常平静的河外时空之海和一个非常暴力的时空之海之间的区别，”欧文说。
凯特·贝克尔写的是物理学、天文学和其他宇宙奇观。她住在马萨诸塞州的布鲁克林。
