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黑洞可能質量巨大，但它們也異常緊湊，這使得在廣闊的宇宙距離中評估它們非常具有挑戰性。引力波天文學的時代現在為探測這些物體打開了一套新的工具，但研究人員實際上還有許多其他訣竅來確定黑洞的屬性。
Valtonen等人最近在The Astrophysical Journal上發表的一項工作，讓我們得以一窺一個特別巧妙且完全自然的黑洞實驗，該實驗也有助於揭示它們的物理特性。
被稱為OJ 287（所謂的BL Lac類星體）的高光度系統在過去120年中已被天文觀測發現——儘管直到20世紀才認識到它的真實性質。OJ 287距離我們約35億光年，是一個位於星系核心的非凡的超大質量黑洞雙星系統；兩個巨大的黑洞相互束縛在軌道中。主黑洞的質量約為180億個太陽質量，次黑洞的質量僅為1.5億個太陽質量。
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來自該系統的可見光（主要由圍繞較大黑洞旋轉的過熱物質產生）在大約12年的週期內相當有規律地變化。在其峰值時，亮度增加會出現雙峰——據認為這是由於較小黑洞的軌道穿過圍繞較大黑洞吸積的物質盤造成的。一般配置如圖所示
圖片來源：Gary Poyner，英國
這些爆發的時間不僅使天文學家能夠估計黑洞的質量，而且能夠看到較小黑洞橢圓軌道的進動或偏移。軌道進動是許多天體物理系統的特性。進動也發生在地球輕微的橢圓軌道上，但速率約為每112,000年完成一次360度的軌道偏移。相比之下，OJ 287系統的進動非常劇烈，較小黑洞軌道的橢圓每12年軌道旋轉39度——這是黑洞對時空極端扭曲的直接結果。
軌道時間的可預測性也使得Valtonen及其同事能夠為2015年11月和12月較小黑洞穿過較大吸積盤的爆發做好準備——這與愛因斯坦廣義相對論百年紀念完美同步。
透過精確測量來自系統的輻射變化，天文學家能夠間接測量質量為180億個太陽質量的主黑洞的實際自旋。答案是什麼？它的自旋速度是黑洞允許的最大自旋速度的31%（超過這個速度，奇點原則上會暴露出來）。
這些資料，連同歷史觀測，也清楚地表明該系統必定正在透過引力波損失能量。換句話說，在OJ 287中，我們確實目睹了兩個超大質量黑洞的逐漸旋進。
有趣的是，該系統還允許對黑洞的“無毛定理”進行約束，該定理認為質量、自旋和電荷完全描述了任何黑洞，不需要或不允許其他特徵。測試這一點的一種方法是使用OJ 287雙星來限制較大黑洞的四極矩。下一次嘗試這個的機會將在2019年到來，儘管屆時太陽將出現在附近，使望遠鏡監測變得複雜，這將是一個具有挑戰性的時期。
黑洞可能是宇宙中最超現實和令人費解的物體，但我們開始非常瞭解它們了。