大多數星系的中心都潛伏著一個超大質量黑洞，但一個距離我們 105 億光年的星系看起來可能有兩個——而且這對黑洞可能將在短短 21 年內撞擊合併。如果觀測得到證實，這對雙黑洞將是已知最接近的聯星黑洞，它們即將發生的碰撞將為科學家提供一個前所未有的機會來觀察極端物理現象的發生。[影片：當黑洞碰撞時]
潛在的黑洞是無法直接瞥見的。除了是黑色的——也就是說，不可見的——它們離地球太遠，彼此之間又太近，以至於無法用望遠鏡分辨出來。但是科學家們發現了他們認為是這對巨獸一起環繞的明顯跡象。這些明顯的黑洞位於所謂的類星體中——一個星系，當質量被中心巨大的黑洞吞噬時，它會釋放出大量光芒。來自大多數類星體的光會隨機閃爍，因為或多或少有質量落入其中。但如果核心中有兩個黑洞，而不是一個，它們的軌道運動將以有序的方式擾動它們周圍的氣體，導致光線週期性地升高和降低。
馬里蘭大學帕克分校的研究生劉婷婷分析了來自 316 個類星體的光，這些光由 Pan-STARRS 1（全景巡天望遠鏡和快速反應系統）中深巡天觀測到，這是位於夏威夷哈雷阿卡拉山的 Pan-STARRS1 望遠鏡進行的sky掃描。她尋找光中的週期性模式，結果發現一個名字拗口的類星體 PSO J334.2028+01.4075 具有復發訊號的最佳證據。那裡的黑洞或多個黑洞的估計總質量在太陽質量的 30 億到 300 億倍之間。“我們提出的這個候選天體處於如此緊湊的分離狀態，以至於它們實際上正處於合併過程中，”劉婷婷研究小組的負責人，一篇宣佈他們發現成果的論文的合著者 Suvi Gezari 說，該論文已被接受在The Astrophysical Journal Letters上發表。事實上，對於黑洞本身來說，即將到來的撞擊似乎會更快發生。在它們的參考系中，它們預計將在短短七年內聚合。由於宇宙膨脹導致的一種稱為宇宙時間膨脹的現象，從我們在地球上的角度來看，碰撞似乎將在 21 年後發生。“這是一個幸運的發現，”伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的理論天體物理學家 Stuart Shapiro 說，他沒有參與這項研究。“我們不知道還有哪個候選天體像它這樣接近[合併]。”但是，他補充說，“我對此持保留態度，即使它沒有成功，可能還有更多類似的發現即將出現。”
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天文學家預計，隨著 Pan-STARRS1 和其他類似巡天專案的興起，他們將發現更多的雙黑洞，這些專案可以長期監測此類系統並尋找週期性的光線變化。Shapiro 使用計算機模擬來預測巨型黑洞融合時會發生什麼。能夠在太空中觀察到一個黑洞將為他和其理論家提供對其計算的寶貴現實檢驗。“當兩個黑洞足夠接近時，我們認為它們會突然衝到一起併合並，”Shapiro 說。“這種衝入和合並將產生引力波爆發，然後隨著合併後的殘餘物像鈴鐺一樣衰減，爆發將會減弱一段時間。”類似鈴鐺的振動應該會發出引力波的螺旋波，這些波紋會拉伸和收縮時空結構。
這種波紋可以被所謂的脈衝星計時陣列檢測到，這些陣列使用稱為脈衝星的自轉恆星作為天然時鐘，以尋找來自引力波的擾動。脈衝星非常有規律地自轉，並像燈塔光束一樣掃出光束。如果引力波穿過太空，它們的光可能會偏離時間表。透過比較宇宙中許多脈衝星的計時，天文學家可以確定引力波來自何時何地。“目前我們實際上沒有靈敏度來檢測這個系統 [PSO J334.2028+01.4075]，但我們正在透過各種調查發現越來越多的此類系統，因此這可能是冰山一角，”威斯康星大學密爾沃基分校的 Xavier Siemens 說，他領導著北美納赫茲引力波天文臺 (NANOGrav) 脈衝星計時陣列專案。“這個系統有可能我們可以用下一代射電望遠鏡檢測到，”他補充說，“例如平方公里陣列”，該陣列計劃於 2025 年左右在南非和澳大利亞啟動。
PSO J334.2028+01.4075 是否真的是一個雙黑洞仍然是一個懸而未決的問題。加州理工學院的天文學家 George Djorgovski 最近發現了另一個候選雙黑洞類星體，但他對此並不信服。“我對他們的分析和說法持懷疑態度，”他說。Pan-STARRS1 巡天專案僅在少數情況下觀測到所討論的系統，因此光線的明顯變化可能只是偶然，他警告說。此外，在如此小的初始樣本量（316 個類星體）中找到如此罕見事件的可能性很低。“像他們聲稱的那樣，捕捉到如此接近的一對——它們將在幾年內合併——的可能性可能遠小於百萬分之一，”他補充說。“劉等人必須非常非常幸運。”
天文學家應該不必等待太久就能找到答案。劉和她的合作者計算出類星體的光線以大約 542 天的規律週期波動，這意味著即將到來的資料應該很快就會證實或否定這種模式。“在未來測試這種週期性波動的永續性是一件非常容易的事情，”Gezari 說。“而且如果存在兩個開始相互旋進的黑洞，那麼它們的週期應該會越來越小。我們實際上可以尋找這種隨時間變化的變化。”如果這種模式成立，天文學家可能真的會獲得自然界最極端事件之一的前排座位。