警报立即引起了祖祖安娜·马尔卡的注意。每当美国激光干涉引力波天文台 (LIGO) 及其欧洲 counterpart Virgo 探测到潜在的引力波事件时，都会快速向合作成员发送自动通知。
在 2019 年 5 月 21 日收到此类事件的通知后不久，哥伦比亚大学的天体物理学家马尔卡就加入了团队的内部 Slack 频道，向她的丈夫绍博尔奇·马尔卡（也在哥伦比亚大学 LIGO 小组工作）和佛罗里达大学的伊姆雷·巴托斯发送了一条兴奋的消息。
祖祖安娜·马尔卡回忆道：“这一个非常特别。我立即注意到[它涉及]高质量。”
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LIGO-Virgo 仪器的详细信息表明，他们捕获了两个庞大黑洞相互旋转并合并成一个单一实体的信号，该实体距离我们约 170 亿光年。原始的巨兽分别重约 85 倍和 66 倍太阳质量，是迄今为止这些设施探测到的最重的一对。随后的黑洞质量惊人地达到了太阳质量的 142 倍。
打破纪录并不是科学界兴奋的唯一原因。LIGO 和 Virgo 使用超灵敏的量子力学传感器来识别宇宙灾难产生的时空结构中的涟漪，它们以前从未发现质量在 100 到 1,000 个太阳质量之间的“中等”范围内的黑洞。天文学家以前从未见过这种黑洞的明确例子，甚至不确定它们是如何产生的。
但在 LIGO-Virgo 的数据中，蕴藏着关于这些重量级天体形成环境的诱人线索，为研究人员提供了迄今为止对一个在很大程度上是理论上的物体的最佳真实世界观测。该领域的专家知道，这一发现预示着未来会有更多发现，他们期待着很快能够分析更多此类信号。
耶鲁大学的天体物理学家普里扬瓦达·纳塔拉詹说：“我将其视为一个阈值事件——这只是冰山一角。”她研究黑洞的形成，但没有参与这项工作。“我太激动了。”
黑洞通常产生于大质量恒星的死亡，恒星在其生命的尽头会发生壮观的超新星爆炸。当恒星瓦解时，其致密的核会坍缩成一个非常紧凑和沉重的物体，甚至光也无法逃脱其引力——黑洞。原始恒星的质量越大，其随后的残骸质量就越大，至少在达到一定程度之前是这样。
质量超过太阳质量 130 倍的超重恒星的死亡阵痛包括一个额外的转折。它们核心的温度变得如此之高，以至于光子开始产生电子及其反粒子——正电子对。这种变化导致光子施加的向外“辐射压力”下降，导致庞大的外层向内坍缩，其猛烈程度足以让整个核心在足以摧毁恒星的热核爆炸中爆炸。在恒星毁灭的余波中，不可能留下黑洞遗迹，这导致了黑洞大小的理论上限：约为太阳质量的 65 倍。
问题是研究人员知道，几乎每个已知的大星系的中心都潜伏着质量为太阳数百万到数十亿倍的黑洞。那么，这些怪物究竟从何而来呢？
许多恒星形成时都带有一个附近的恒星伴星，两者将在彼此的轨道上运行一生。如果它们都是大质量恒星，它们可能会在大致相同的时间爆炸，并留下两个黑洞。这些黑洞可以相互引力吸引并缓慢地螺旋靠近，它们的最终合并将发出大量的引力波，以光速向各个方向传播。建造 LIGO-Virgo 的部分目的就是为了捕获此类信号，合作组织的仪器迄今为止已经看到了 10 多次此类合并，每次合并都涉及质量约为太阳 5 到 50 倍的黑洞。
但是，如果两个黑洞可以合并，那么由此产生的实体也许可以找到另一个黑洞并重复这个过程。绍博尔奇·马尔卡说：“这就像一台小型组装机器。你取一个黑洞并合并它，制造一个更大的黑洞并合并它。” 这种所谓的层级合并以前已被理论化，但从未见过。
虽然 2019 年 5 月的事件（已被标记为 GW190521）点亮 LIGO-Virgo 传感器的持续时间不到十分之一秒，但它包含了关于合并黑洞对的诱人信息。具体来说，探测器发现每个黑洞都像巨大的陀螺一样旋转，LIGO-Virgo 仅在一个黑洞合并事件中见过这种特性。仅此观察就使 GW190521 的黑洞变得不寻常。但研究人员更感兴趣的是看到它们的自旋不对齐——这是一个明显的迹象，表明这些致密天体彼此认识的时间不长。
当两颗恒星形成两个黑洞时，引力充当一种协调力，使每个实体与其伴星保持一致。这两个黑洞都应沿与其围绕彼此的轨道路径相同的方向旋转，就像月球沿与其绕地球轨道相同的方向绕自身轴旋转一样。GW190521 巨大黑洞的错位自旋暗示，在它们合并之前，引力没有足够的时间来发挥其协调魔力。这个想法表明它们最初并非一起形成，而是生活在其他黑洞密集的环境中。
巴托斯说：“有一种特殊的地方可能会发生这种情况。那就是星系的中心，较小的黑洞往往聚集在超大质量黑洞附近。”
潜伏的超大质量黑洞使星系中心非常像井底。其他重物，如恒星质量的黑洞，将朝其强大的引力方向坠落。由于 GW190521 发生在如此遥远的地方，因此它来自宇宙只有目前年龄一半的时候，当时许多星系都在明亮地燃烧，因为它们中心的超大质量黑洞正在积极地吞噬气体和尘埃并喷射出能量。这种被称为活跃星系核 (AGN) 的旋涡状物质，将是较小黑洞可能遇到新伴侣并合并的骚动热点，这解释了新的 LIGO-Virgo 事件。
这种情况并非一定适用于 GW190521，但许多证据都指向这个方向。巴托斯说，甚至有可能这对黑洞中较重的天体（质量为 85 个太阳质量）是由其自身的先前合并形成的，尽管不能排除这个超大质量黑洞是由某种奇异的、未知的过程创造出来的。“这是该领域的美丽之处和困难之处之一，”他补充道。“我们正在处理非常遥远的复杂系统。” 该团队的发现于去年 9 月发表在《物理评论快报》和《天体物理学杂志快报》的两篇论文中。
纳塔拉詹一直在研究形成质量在 100 万到 100 万倍太阳质量之间的黑洞的模型，她说，结果令人兴奋，因为“它们直接为您提供了通往超大质量黑洞的垫脚石。” 她补充说，天文学家知道超大质量黑洞一定经历过这样一个中间阶段，但到目前为止，这一时期的证据一直难以捉摸。
由于正在进行的 COVID-19 大流行，LIGO-Virgo 的设施目前已关闭。然而，一旦仪器重新上线，研究人员渴望看看他们是否会发现更多涉及中等质量范围内的黑洞的事件。看到这些初步结果花费了这么长时间这一事实表明，此类合并在某种程度上是罕见的，但并非极其罕见。天文台的升级应该让科学家们更清楚地了解合并事件发生前的时刻，从而帮助确定它们是否发生在 AGN 或其他环境中。
特别有用的数据可能来自其他望远镜，它们会在收到 LIGO-Virgo 警报时寻找闪光。研究引力波事件的光学、紫外线或红外对应物为天文学家提供了多种途径来了解其细节。就在 2019 年 5 月探测到事件后，加利福尼亚州帕洛玛天文台的 Zwicky 瞬态设施在遥远的 AGN 附近发现了一个光学闪烁，但目前尚不清楚这两个结果是否相关。
尽管如此，该领域的人们很高兴处于这个转折点。虽然 GW190521 将作为第一个被明确发现的中等质量黑洞载入史册，但研究人员相信，他们很快就会有大量其他例子可供学习。
绍博尔奇·马尔卡说：“从这一刻起，我们有了可以教给我们一些我们无法以任何其他方式获得的东西的工具。在此事件之前，这一切都只是一个梦想。现在它已成为一个可检验的理论。”