2015年，当科学家们首次直接探测到来自黑洞碰撞的引力波——时空中的涟漪时，这一结果让一些天文学家感到震惊。根据之前使用X射线对黑洞的研究，许多专家预计，合并对中的每个成员通常重约太阳质量的10倍，但2015年的合并事件的两个巨星是该质量的三倍。而促成这一发现的激光干涉引力波天文台（LIGO）此后一直在发现异常巨大的星对。
黑洞当然可以变得超大质量——重达数十亿个太阳的巨兽潜伏在大多数大型星系的中心。问题是：它们是如何变得如此巨大的？它们的大部分质量一定是在诞生后吞噬气体和恒星而获得的，但一些理论认为，合并或连锁合并可能会形成超大质量黑洞的初始种子。然而，在空旷的太空中进行黑洞配对并非易事，因此天体物理学家仍在思考是什么情况可以将这些天体聚集在一起。
一个新兴的理论认为，LIGO探测到的重型黑洞出现在巨型星系的核心附近，那里炽热的气体盘围绕着中心超大质量黑洞旋转。由于普遍存在的气体，这些所谓的活跃星系核（AGN）可能是利用较小的黑洞制造大型黑洞的工厂。如果是这样，LIGO等引力波探测器应该能够梳理出这些膨胀巨兽分级组装的迹象。尽管探测到的总数仍然太少，无法进行结论性的分类，但一些研究人员最近指出，两次重大的合并事件令人兴奋地暗示了AGN促进的黑洞融合可能是什么样子——这是利用引力波不仅研究黑洞，而且研究诞生它们的恒星和星系迈出的一步。
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LIGO成员Maya Fishbach说，弄清楚黑洞对是如何形成的“告诉我们很多关于恒星的信息”，她没有参与最近的研究。“恒星是星系的基石。它们是天文学的原子。”
普通的黑洞，诞生于爆炸恒星的残骸，通常会开始在与AGN气体盘平面倾斜的轨道上运行。然而，每次它们浸入该星盘时，摩擦力都会减慢它们的速度，并使它们的路径与星盘对齐。一旦嵌入，不均匀的压力可能会将这些黑洞从最初分散的位置引导到星系中心黑洞周围的特殊环中——这是一种捕获过程，类似于在单颗恒星周围的尘埃盘中形成行星种子的过程，但用黑洞代替了微小的尘埃堆。
佛罗里达大学的LIGO合作成员Imre Bartos估计，这些星系“迁移陷阱”可以迅速收集数万个黑洞，其中许多黑洞会足够接近以配对。然后，残留气体的摩擦力将推动它们比在空旷空间中提前1000倍发生碰撞。他说：“它们将被迫合并在一起。” 这就像“一条黑洞装配线，我们在其中一个接一个地添加黑洞。”
宇宙中大多数黑洞合并被认为是中等质量恒星双星——出生、生存和死亡都在一起的恒星伴侣——之间的一次性结局。但是，如果AGN星盘确实在大量生产由小黑洞制成的大黑洞，那么该种群最终应该在引力波观测中以两种方式脱颖而出。
在LIGO首次两次观测运行中确认的10次黑洞合并事件中，有9次似乎来自自旋缓慢或完全不自旋的星对。然而，旋转碰撞——就像在AGN星盘中发生的那样——会使合并的黑洞加速旋转，通常会导致后续世代的合并旋转得更快。具体来说，质量均匀的两个黑洞在碰撞后应以理论最高速度的70%旋转，因此Bartos和他的同事正在寻找已经旋转的陀螺之间的碰撞。
他们还在关注巨大的合并事件。人们认为，质量超过一定大小的恒星会经历如此剧烈的超新星爆发，以至于它们会将核心炸成碎片，阻止它们坍缩形成黑洞。理论家不确定这个极限在哪里，但许多人预计恒星黑洞的质量上限约为太阳质量的50倍。“如果你看到一个质量为80个太阳质量的单一事件，”英国伯明翰大学的天体物理学家Davide Gerosa说，“那是某种奇异形成渠道的强烈信号。” 黑洞育婴室将是重型异常值的解释之一。
球状星团是星系内恒星的小团块，是异常重、快速旋转黑洞的另一个可能的宇宙建造地点。在这些恒星密集的区域，黑洞大概可以形成密集的群体，在其中它们偶尔会相互碰撞。但是，Gerosa和他的同事最近进行的研究发现，这种碰撞的反冲力可能会将大多数星对从球状星团中弹出，阻止它们找到未来的伴侣进行合并。Gerosa说，像AGN星盘内的那些星团这样更大的恒星群更有可能是串联合并的地点，因为那里的黑洞需要更大的反冲力才能逃逸。
经过多年的理论推测，一些研究人员开始看到一个超重种群开始显现自身的迹象。Bartos和他的同事在2019年11月的《物理评论快报》(Physical Review Letters) 上提出，LIGO编目的最重合并事件之一GW170729正是AGN星盘会产生的类型。在该事件中，其中一个黑洞重约50个太阳质量，对该星对的集体自旋的测量表明，它们在合并前以约占最高速度40%的速度旋转——这暗示着早期的碰撞可能使它们加速旋转。
另一个潜在的AGN驱动事件于2019年10月报告，当时新泽西州普林斯顿高等研究院(Institute for Advanced Study in Princeton, N.J.) 的研究人员发布了一篇预印本论文，宣布了来自LIGO数据的两次可能的合并事件，尽管这些事件未达到LIGO的发表标准，但很可能是真实的。这个名为GW170817A的候选合并事件质量约为56个太阳质量，合并前总自旋为最大值的50%，根据2020年2月发表在《天体物理学杂志快报》(Astrophysical Journal Letters) 上的一项研究，这个候选合并事件比GW170729更符合对AGN碰撞的预测。Bartos说：“这与事件类型完全相同。”
然而，这两种情况都不是AGN黑洞装配线的确凿证据。GW170817A仅在LIGO的两个探测器之一中注册——这可能表明它是地球上污染噪声引起的误报，而不是来自遥远天体的灾难。此外，由于宇宙中只有一小部分恒星位于AGN中，Bartos的小组得出结论，这两个合并事件的暗示性特征同样有可能反映出恰好额外重且旋转特别快的普通双星黑洞，就像它们是AGN黑洞一样。
一个更强有力的候选事件在2019年5月21日震撼了引力波探测器。后来的计算显示，GW190521是由一个66太阳质量的黑洞撞击一个真正巨大的85太阳质量的黑洞引发的，两者都突破了理论上的50太阳质量上限。更重要的是，这两个巨大的天体都以约占理论最高速度70%的速度旋转——这与连锁合并产生的黑洞的旋转方式完全一致。
其他研究人员也同意AGN星盘偶尔可能会将黑洞撞击在一起，但强调科学界将需要更多数据以及更好的预测，才能最终证明这种罕见的碰撞类型或其他类型的真实性。“我不认为任何人能够选择一边，因为他们知道如果他们被证明是错误的，那将会在，比如，一年内，”Fishbach说。
无论如何，区分一次性恒星双星与AGN装配线以及其他假定的黑洞合并生产机制的能力即将到来。随着LIGO目录的膨胀，基于自旋和质量的类别应该会变得更加清晰。Bartos认为，基于光而不是引力波的传统天文学也可能有所帮助。在天空中与已知AGN对齐的引力碰撞将提供进一步的暗示。最近发表在《天体物理学杂志快报》(Astrophysical Journal Letters) 上的一篇文章提出，如果天文学家可以使用他们的望远镜快速观察到具有AGN特征的引力波源，他们可能会瞥见假设来自碰撞后气体中冲击波的闪光。事实上，2019年5月的合并事件恰逢加利福尼亚州兹维基瞬变设施(Zwicky Transient Facility in California) 的天文学家捕获的耀斑——这又是一个令人兴奋的暗示，表明Bartos和他的同事们正走在正确的轨道上。
在构建这个新的黑洞分类学的过程中，天体物理学家已经在集思广益他们将能够用它做什么。纽约市熨斗研究所计算天体物理学中心(Flatiron Institute’s Center for Computational Astrophysics in New York City) 的天体物理学家Katelyn Breivik说，光揭示了一个星系是由什么组成的，但引力波可能会揭示其更微妙的动力学。“如果你有嵌入在这些星盘中的黑洞，”她说，“它们就像探测这些星盘形状的字面引力探针”，揭示质量和运动。
虽然这些探测器可能尚未完全实现，但LIGO的大型旋转黑洞鼓励Bartos相信它们离实现不远了。“我过去常常预测遥远的未来，”他说。“从那里来到这些基本上重现你预测的黑洞，真是太令人兴奋了。”