警報立即引起了祖祖安娜·馬爾卡的注意。每當美國雷射干涉引力波天文臺 (LIGO) 及其歐洲 counterpart Virgo 探測到潛在的引力波事件時，都會快速向合作成員傳送自動通知。
在 2019 年 5 月 21 日收到此類事件的通知後不久，哥倫比亞大學的天體物理學家馬爾卡就加入了團隊的內部 Slack 頻道，向她的丈夫紹博爾奇·馬爾卡（也在哥倫比亞大學 LIGO 小組工作）和佛羅里達大學的伊姆雷·巴託斯傳送了一條興奮的訊息。
祖祖安娜·馬爾卡回憶道：“這一個非常特別。我立即注意到[它涉及]高質量。”
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LIGO-Virgo 儀器的詳細資訊表明，他們捕獲了兩個龐大黑洞相互旋轉併合併成一個單一實體的訊號，該實體距離我們約 170 億光年。原始的巨獸分別重約 85 倍和 66 倍太陽質量，是迄今為止這些設施探測到的最重的一對。隨後的黑洞質量驚人地達到了太陽質量的 142 倍。
打破紀錄並不是科學界興奮的唯一原因。LIGO 和 Virgo 使用超靈敏的量子力學感測器來識別宇宙災難產生的時空結構中的漣漪，它們以前從未發現質量在 100 到 1,000 個太陽質量之間的“中等”範圍內的黑洞。天文學家以前從未見過這種黑洞的明確例子，甚至不確定它們是如何產生的。
但在 LIGO-Virgo 的資料中，蘊藏著關於這些重量級天體形成環境的誘人線索，為研究人員提供了迄今為止對一個在很大程度上是理論上的物體的最佳真實世界觀測。該領域的專家知道，這一發現預示著未來會有更多發現，他們期待著很快能夠分析更多此類訊號。
耶魯大學的天體物理學家普里揚瓦達·納塔拉詹說：“我將其視為一個閾值事件——這只是冰山一角。”她研究黑洞的形成，但沒有參與這項工作。“我太激動了。”
黑洞通常產生於大質量恆星的死亡，恆星在其生命的盡頭會發生壯觀的超新星爆炸。當恆星瓦解時，其緻密的核會坍縮成一個非常緊湊和沉重的物體，甚至光也無法逃脫其引力——黑洞。原始恆星的質量越大，其隨後的殘骸質量就越大，至少在達到一定程度之前是這樣。
質量超過太陽質量 130 倍的超重恆星的死亡陣痛包括一個額外的轉折。它們核心的溫度變得如此之高，以至於光子開始產生電子及其反粒子——正電子對。這種變化導致光子施加的向外“輻射壓力”下降，導致龐大的外層向內坍縮，其猛烈程度足以讓整個核心在足以摧毀恆星的熱核爆炸中爆炸。在恆星毀滅的餘波中，不可能留下黑洞遺蹟，這導致了黑洞大小的理論上限：約為太陽質量的 65 倍。
問題是研究人員知道，幾乎每個已知的大星系的中心都潛伏著質量為太陽數百萬到數十億倍的黑洞。那麼，這些怪物究竟從何而來呢？
許多恆星形成時都帶有一個附近的恆星伴星，兩者將在彼此的軌道上執行一生。如果它們都是大質量恆星，它們可能會在大致相同的時間爆炸，並留下兩個黑洞。這些黑洞可以相互引力吸引並緩慢地螺旋靠近，它們的最終合併將發出大量的引力波，以光速向各個方向傳播。建造 LIGO-Virgo 的部分目的就是為了捕獲此類訊號，合作組織的儀器迄今為止已經看到了 10 多次此類合併，每次合併都涉及質量約為太陽 5 到 50 倍的黑洞。
但是，如果兩個黑洞可以合併，那麼由此產生的實體也許可以找到另一個黑洞並重復這個過程。紹博爾奇·馬爾卡說：“這就像一臺小型組裝機器。你取一個黑洞併合並它，製造一個更大的黑洞併合並它。” 這種所謂的層級合併以前已被理論化，但從未見過。
雖然 2019 年 5 月的事件（已被標記為 GW190521）點亮 LIGO-Virgo 感測器的持續時間不到十分之一秒，但它包含了關於合併黑洞對的誘人資訊。具體來說，探測器發現每個黑洞都像巨大的陀螺一樣旋轉，LIGO-Virgo 僅在一個黑洞合併事件中見過這種特性。僅此觀察就使 GW190521 的黑洞變得不尋常。但研究人員更感興趣的是看到它們的自旋不對齊——這是一個明顯的跡象，表明這些緻密天體彼此認識的時間不長。
當兩顆恆星形成兩個黑洞時，引力充當一種協調力，使每個實體與其伴星保持一致。這兩個黑洞都應沿與其圍繞彼此的軌道路徑相同的方向旋轉，就像月球沿與其繞地球軌道相同的方向繞自身軸旋轉一樣。GW190521 巨大黑洞的錯位自旋暗示，在它們合併之前，引力沒有足夠的時間來發揮其協調魔力。這個想法表明它們最初並非一起形成，而是生活在其他黑洞密集的環境中。
巴託斯說：“有一種特殊的地方可能會發生這種情況。那就是星系的中心，較小的黑洞往往聚集在超大質量黑洞附近。”
潛伏的超大質量黑洞使星系中心非常像井底。其他重物，如恆星質量的黑洞，將朝其強大的引力方向墜落。由於 GW190521 發生在如此遙遠的地方，因此它來自宇宙只有目前年齡一半的時候，當時許多星系都在明亮地燃燒，因為它們中心的超大質量黑洞正在積極地吞噬氣體和塵埃並噴射出能量。這種被稱為活躍星系核 (AGN) 的旋渦狀物質，將是較小黑洞可能遇到新伴侶併合並的騷動熱點，這解釋了新的 LIGO-Virgo 事件。
這種情況並非一定適用於 GW190521，但許多證據都指向這個方向。巴託斯說，甚至有可能這對黑洞中較重的天體（質量為 85 個太陽質量）是由其自身的先前合併形成的，儘管不能排除這個超大質量黑洞是由某種奇異的、未知的過程創造出來的。“這是該領域的美麗之處和困難之處之一，”他補充道。“我們正在處理非常遙遠的複雜系統。” 該團隊的發現於去年 9 月發表在《物理評論快報》和《天體物理學雜誌快報》的兩篇論文中。
納塔拉詹一直在研究形成質量在 100 萬到 100 萬倍太陽質量之間的黑洞的模型，她說，結果令人興奮，因為“它們直接為您提供了通往超大質量黑洞的墊腳石。” 她補充說，天文學家知道超大質量黑洞一定經歷過這樣一箇中間階段，但到目前為止，這一時期的證據一直難以捉摸。
由於正在進行的 COVID-19 大流行，LIGO-Virgo 的設施目前已關閉。然而，一旦儀器重新上線，研究人員渴望看看他們是否會發現更多涉及中等質量範圍內的黑洞的事件。看到這些初步結果花費了這麼長時間這一事實表明，此類合併在某種程度上是罕見的，但並非極其罕見。天文臺的升級應該讓科學家們更清楚地瞭解合併事件發生前的時刻，從而幫助確定它們是否發生在 AGN 或其他環境中。
特別有用的資料可能來自其他望遠鏡，它們會在收到 LIGO-Virgo 警報時尋找閃光。研究引力波事件的光學、紫外線或紅外對應物為天文學家提供了多種途徑來了解其細節。就在 2019 年 5 月探測到事件後，加利福尼亞州帕洛瑪天文臺的 Zwicky 瞬態設施在遙遠的 AGN 附近發現了一個光學閃爍，但目前尚不清楚這兩個結果是否相關。
儘管如此，該領域的人們很高興處於這個轉折點。雖然 GW190521 將作為第一個被明確發現的中等質量黑洞載入史冊，但研究人員相信，他們很快就會有大量其他例子可供學習。
紹博爾奇·馬爾卡說：“從這一刻起，我們有了可以教給我們一些我們無法以任何其他方式獲得的東西的工具。在此事件之前，這一切都只是一個夢想。現在它已成為一個可檢驗的理論。”