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?和任何恋爱一样，这就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。
麻烦就从这里开始了。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)迎头相撞。相反，因为当它们相遇时，它们通常沿着独立的、不对齐的路径运动，它们的守恒角动量使它们相互旋转。它们在相互吸引的条件下越来越近，直到以一臂长的距离绕轨道运行——距离大约是3光年，或1秒差距。然后，像害羞的恋人，他们不再往前走。
为什么?欧文给出了一个类比:想象你的手是这些黑洞中的一个，你在一桶水里旋转它，这桶水代表着大量合并的星系物质。一开始，水推着你的手，使它慢下来。在太空中，这种引力相互作用，即所谓的动力摩擦，降低了轨道上黑洞的角动量，导致它向伙伴漂移。但随着时间的推移，桶里的水开始向你手的方向流动，所以你感觉阻力变小了。同样，在模拟的星系合并中，恒星和其他物体的运动与两个旋转黑洞的路径一致。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，那么这种成对的黑洞最终会相互碰撞并吞噬对方，最终成为一体。但要做到这一点，他们必须以某种方式失去足够的能量，以恢复他们的内在螺旋，通过最后的秒差。广义相对论认为，一旦它们非常接近——仅仅相隔数十亿英里(约0.001秒差距)——它们将在引力波的巨大高潮中抛弃最后的轨道动量，引力波是由引力扰动发出的时空涟漪。最后的能量爆发将两个黑洞拉到一起，在几小时、几天或几年的时间内完成这项工作，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间接途径进行搜索:闪烁的类星体光。类星体是巨大的古老星系的核心，非常明亮。当物质在中心旋转向超大质量黑洞时，它会聚集成一个圆盘，其角动量将部分质量转化为比星系本身更耀眼的辐射。由于气体和尘埃不会以平滑的流形式流入圆盘，类星体的光通常以随机的模式变化。
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。
是什么导致了这种循环?“我们想出了四五种不同的物理场景，”格雷厄姆说。例如，第二个超大质量黑洞的旋转可能会例行地改变类星体辐射喷流的方向，就像探照灯光束一样。或者可能是这个额外的黑洞扭曲了旋转的物质盘，因此有规律地使类星体变亮或变暗。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，他们的解释才有意义。
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。
到目前为止，格雷厄姆和其他研究人员已经在卡特琳娜的数据集中确定了超过100个类星体，他们认为这些类星体可能包含黑洞双星，所有这些类星体都很容易在最后的秒差距之内。如果他们能证实自己的怀疑，这些候选者就能让他们看到大自然隐藏得如此之深的碰撞传奇的壮观结局。
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让天文学家有更清晰的视野。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云和尘埃云吸收、重新发射或散射。”“(重力)涟漪不在乎是否有气体和尘埃——它们在其中移动，不受干扰。这是时空本身在运动的结构。”
然而，发现这些涟漪并不容易:引力波天文学是一门羽翼未丰的科学，还没有一个单一的探测结果。此外，LIGO等先进的激光天文台对缓慢振荡的波并不敏感，天文学家怀疑这些波是从PG 1302-102这样的亲密黑洞双星中泵出的。
相反，研究人员希望利用大自然提供的“望远镜”——毫秒脉冲星——来捕捉这些扰动。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。通过监测我们自己的银河系中数十颗毫秒脉冲星(脉冲星计时阵列)的滴答声，天文学家们可以寻找一些能够说明问题的偏差，这些偏差揭示了在一个遥远的星系中，两个黑洞穿过最后一秒差距时产生的引力波。
这些波的光谱特征——从快速振荡到缓慢膨胀，以及介于两者之间的一切——将为物理学家提供数据，用以测试新的或修正的统一过程模型。“脉冲星计时阵列是我们唯一能告诉我们在最后一秒差距尺度上发生了什么——是什么真正推动了双黑洞合并的最后阶段的仪器，”威斯康星大学密尔沃基分校研究这些碰撞的研究生约瑟夫·西蒙说。
引力波的消失也提供了一个重要的线索。西蒙说，经过近十年的计时，脉冲星计时阵列“终于足够敏感，即使不被探测也能告诉我们正在发生什么。”事实上，这些阵列还没有察觉到引力波的气味，这可能意味着理论家们对黑洞在经过最后一秒差距时发生碰撞的理解并不完全正确。在最后的撞击中失去的一些能量可能会通过一些未知的与附近恒星和气体的相互作用而流失，而不是以引力辐射的形式爆发。例如，也许黑洞会抛弃一些转向它们的恒星。或者可能是它们的引力使它们周围的尘埃和气体盘产生扭矩。如果物理学家能够研究出这种消耗能量的机制，也许就能解释合并的黑洞如何首先跨越最后的秒差距。
他们的计算将使他们接近爱因斯坦的预测。欧文说:“我们谈论广义相对论时，就好像它是一个被证实得极其充分的理论，而且在某些方面，它是物理学中被证实得最精确的理论。”但科学家们从未在极端的引力事件中测试过它，比如黑洞合并，在这种情况下，物理学与三个多世纪前艾萨克·牛顿(Isaac Newton)提出的定律大相径庭;在那里，像能量、动量和质量这样熟悉的概念失去了意义。如果事实证明黑洞结合产生的引力爆发确实比广义相对论所说的要弱，那么也许是时候做出调整了。
最终，黑洞爱情故事的完成将告诉我们，我们在地球上是在什么样的旅程上——我们是在引力波的洪流中滚动，还是在涓涓细流中滚动。欧文说:“这确实是非常平静的星系外时空海洋和非常激烈的时空海洋之间的区别。”
凯特·贝克尔撰写关于物理学、天文学和其他宇宙奇观的文章。她住在马萨诸塞州的布鲁克兰。
