大約12億年前，一對旋轉的黑洞越轉越近，在碰撞前釋放出引力能量的震盪。儘管這些黑洞可能已經相互環繞了數十億年，但雷射干涉儀引力波天文臺（LIGO）的科學家們只捕捉到了該事件最後 0.2 秒。然而，目睹在那段時間內產生的引力波，開啟了天體物理學的新時代，科學家們現在想了解，這一對黑洞以及其他類似的黑洞是如何首先陷入彼此環繞的懷抱的。研究人員正在開始一項新的探索，透過建立新的理論模型和遍佈全球的新天文臺，準確地確定這些黑洞合併在宇宙中發生的地點。
對於加州理工學院的天文學家阿斯特麗德·蘭伯茨來說，這段旅程始於一杯咖啡。2月份，當 LIGO 宣佈首次探測到引力波時，她興奮地與同事討論了該事件的細節。但她有一個迫切的問題：合併發生在什麼型別的星系中？蘭伯茨懷疑答案可能在於兩個黑洞的巨大質量——都大約是太陽質量的 30 倍——這很可能是由低金屬丰度的恆星死亡形成的，也就是說，其中重元素（稱為金屬）較少的恆星。（恆星的金屬丰度會改變其化學性質，金屬較多的恆星在死亡時往往會排出更多的質量，留下質量較小的黑洞。）眾所周知，低金屬丰度的恆星既存在於附近的小星系中，也存在於遙遠的大星系中，但她不知道哪一個更有可能產生 LIGO 的訊號。因此，蘭伯茨找到了她的同事菲利普·霍普金斯——一位星系演化專家——但他也沒有給出簡單的答案。沒有明確的解決方案這一事實促使兩人進一步挖掘。
在最近發表在預印本伺服器 arXiv 上並提交給《英國皇家天文學會月刊》的一篇論文中，該團隊僅根據兩個黑洞的質量確定了宿主星系最可能的特徵。關鍵在於，當蘭伯茨和她的同事將第二個方面納入他們的模型時：從這些恆星形成到黑洞合併的時間視窗。“如果它們形成得太晚，它們實際上就沒有時間演化成黑洞併合並，”霍普金斯說。“如果它們形成得太早，它們早就合併了。”相反，這些恆星可能形成的時間有很多。因此，該團隊研究了每個時間點，並確定了當時存在的哪些型別的星系包含最多的低金屬丰度恆星。
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最終，蘭伯茨和她的同事發現了兩種可行的可能性。要麼是祖先恆星在 80 億到 100 億年前形成，並在一個像銀河系一樣重的星系中合併，要麼是它們在 50 億到 80 億年前形成，並在一個比銀河系小約 1000 倍的矮星系中合併。目前，該團隊無法選擇其中一種情況，但霍普金斯認為，隨著未來更多的探測，他們將能夠做到這一點。
與此同時，除了路易斯安那州和華盛頓州的 LIGO 雙探測器之外，全球各地正在建造更多的引力波天文臺，以更好地解決這個問題。義大利的 VIRGO 探測器應在 2017 年初開始執行，日本的 KAGRA 探測器最早將於 2018 年開始觀測，而在印度建造的另一個與 LIGO 完全相同的探測器最早將於 2023 年開始執行。對於 LIGO 的前兩次探測（2 月份宣佈的發現，以及本月初報告的第二次黑洞碰撞），科學家可以將合併位置精確到天空 600 平方度以內——這個區域非常大，其中有數萬個星系距離我們大約 13 億光年。但是，有了全球五臺線上探測器，科學家可以測量引力波到達各個天文臺的時間差，從而最好地將合併位置精確到幾平方度以內，從而將範圍縮小一個數量級。
即便如此，仍然可能有數千個星系候選者可以容納特定的黑洞碰撞。為了明確地將黑洞碰撞的位置精確到一個星系，科學家們可能需要探測到電磁對應物——即與引力波同時發生的閃光，無論是可見光、X 射線還是伽馬射線。然後，科學家們就可以檢視該光線的起源點，以找到黑洞的宿主星系。（儘管科學家們不期望大多數黑洞碰撞會產生光線，但他們可能會感到驚訝。）因此，每次發現引力波時，LIGO 的科學家都會立即將座標傳送到全球數十個天文臺，以便他們也可以尋找訊號。“引力波界的主要科學目標之一是能夠幾乎即時地篩選我們的資料，並快速識別[合併]在天空中的位置，”LIGO 執行主任大衛·賴策說。這位天體物理學家對科學家如何利用未來版本的蘭伯茨模型來更好地定位後續搜尋感到特別興奮。他說，例如，如果天文學家知道宿主星系的質量，他們可以優先考慮這些星系。
未來的結果應該會闡明螺旋黑洞雙星最初是如何形成的。目前，有兩種主要的理論：一種是，產生黑洞的兩顆恆星一同誕生、生存和爆炸，在它們最終合併為黑洞之前，始終鎖定在旋轉的擁抱中。另一種是，祖先恆星並非同時誕生；它們死亡並變成彼此遠離的黑洞，然後某種東西——比如另一個物體的引力推力——將它們推入相互擁抱的狀態。確定哪種形成機制是正確的可能取決於識別合併的宿主星系。例如，如果這些事件不斷指向可能包含大量恆星團的星系，在這些星系中，引力推拉可以很容易地將疏遠的黑洞對推到一起，那麼第二種情況就更有可能。然而，如果這些事件指向包含非常少的恆星團的星系，那麼恆星更有可能在它們的整個生命週期中都鎖定在一起。
對於許多熱切等待 LIGO 首次發現引力波的科學家來說，發現這些黑洞對的位置和背景故事是一項激動人心的新挑戰。“如果你允許我使用一個聖經式的比喻，我們已經在沙漠中徘徊了大約 40 年，”賴策說。“從 LIGO 被構想到我們進行探測時，確實有 40 年的時間。現在我們剛剛走進了應許之地。所以我們必須探索應許之地。誰知道它有多大。誰知道我們會發現什麼。但我確信這將是令人興奮的。”