大约12亿年前，一对旋转的黑洞越转越近，在碰撞前释放出引力能量的震荡。尽管这些黑洞可能已经相互环绕了数十亿年，但激光干涉仪引力波天文台（LIGO）的科学家们只捕捉到了该事件最后 0.2 秒。然而，目睹在那段时间内产生的引力波，开启了天体物理学的新时代，科学家们现在想了解，这一对黑洞以及其他类似的黑洞是如何首先陷入彼此环绕的怀抱的。研究人员正在开始一项新的探索，通过建立新的理论模型和遍布全球的新天文台，准确地确定这些黑洞合并在宇宙中发生的地点。
对于加州理工学院的天文学家阿斯特丽德·兰伯茨来说，这段旅程始于一杯咖啡。2月份，当 LIGO 宣布首次探测到引力波时，她兴奋地与同事讨论了该事件的细节。但她有一个迫切的问题：合并发生在什么类型的星系中？兰伯茨怀疑答案可能在于两个黑洞的巨大质量——都大约是太阳质量的 30 倍——这很可能是由低金属丰度的恒星死亡形成的，也就是说，其中重元素（称为金属）较少的恒星。（恒星的金属丰度会改变其化学性质，金属较多的恒星在死亡时往往会排出更多的质量，留下质量较小的黑洞。）众所周知，低金属丰度的恒星既存在于附近的小星系中，也存在于遥远的大星系中，但她不知道哪一个更有可能产生 LIGO 的信号。因此，兰伯茨找到了她的同事菲利普·霍普金斯——一位星系演化专家——但他也没有给出简单的答案。没有明确的解决方案这一事实促使两人进一步挖掘。
在最近发表在预印本服务器 arXiv 上并提交给《英国皇家天文学会月刊》的一篇论文中，该团队仅根据两个黑洞的质量确定了宿主星系最可能的特征。关键在于，当兰伯茨和她的同事将第二个方面纳入他们的模型时：从这些恒星形成到黑洞合并的时间窗口。“如果它们形成得太晚，它们实际上就没有时间演化成黑洞并合并，”霍普金斯说。“如果它们形成得太早，它们早就合并了。”相反，这些恒星可能形成的时间有很多。因此，该团队研究了每个时间点，并确定了当时存在的哪些类型的星系包含最多的低金属丰度恒星。
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最终，兰伯茨和她的同事发现了两种可行的可能性。要么是祖先恒星在 80 亿到 100 亿年前形成，并在一个像银河系一样重的星系中合并，要么是它们在 50 亿到 80 亿年前形成，并在一个比银河系小约 1000 倍的矮星系中合并。目前，该团队无法选择其中一种情况，但霍普金斯认为，随着未来更多的探测，他们将能够做到这一点。
与此同时，除了路易斯安那州和华盛顿州的 LIGO 双探测器之外，全球各地正在建造更多的引力波天文台，以更好地解决这个问题。意大利的 VIRGO 探测器应在 2017 年初开始运行，日本的 KAGRA 探测器最早将于 2018 年开始观测，而在印度建造的另一个与 LIGO 完全相同的探测器最早将于 2023 年开始运行。对于 LIGO 的前两次探测（2 月份宣布的发现，以及本月初报告的第二次黑洞碰撞），科学家可以将合并位置精确到天空 600 平方度以内——这个区域非常大，其中有数万个星系距离我们大约 13 亿光年。但是，有了全球五台在线探测器，科学家可以测量引力波到达各个天文台的时间差，从而最好地将合并位置精确到几平方度以内，从而将范围缩小一个数量级。
即便如此，仍然可能有数千个星系候选者可以容纳特定的黑洞碰撞。为了明确地将黑洞碰撞的位置精确到一个星系，科学家们可能需要探测到电磁对应物——即与引力波同时发生的闪光，无论是可见光、X 射线还是伽马射线。然后，科学家们就可以查看该光线的起源点，以找到黑洞的宿主星系。（尽管科学家们不期望大多数黑洞碰撞会产生光线，但他们可能会感到惊讶。）因此，每次发现引力波时，LIGO 的科学家都会立即将坐标发送到全球数十个天文台，以便他们也可以寻找信号。“引力波界的主要科学目标之一是能够几乎实时地筛选我们的数据，并快速识别[合并]在天空中的位置，”LIGO 执行主任大卫·赖策说。这位天体物理学家对科学家如何利用未来版本的兰伯茨模型来更好地定位后续搜索感到特别兴奋。他说，例如，如果天文学家知道宿主星系的质量，他们可以优先考虑这些星系。
未来的结果应该会阐明螺旋黑洞双星最初是如何形成的。目前，有两种主要的理论：一种是，产生黑洞的两颗恒星一同诞生、生存和爆炸，在它们最终合并为黑洞之前，始终锁定在旋转的拥抱中。另一种是，祖先恒星并非同时诞生；它们死亡并变成彼此远离的黑洞，然后某种东西——比如另一个物体的引力推力——将它们推入相互拥抱的状态。确定哪种形成机制是正确的可能取决于识别合并的宿主星系。例如，如果这些事件不断指向可能包含大量恒星团的星系，在这些星系中，引力推拉可以很容易地将疏远的黑洞对推到一起，那么第二种情况就更有可能。然而，如果这些事件指向包含非常少的恒星团的星系，那么恒星更有可能在它们的整个生命周期中都锁定在一起。
对于许多热切等待 LIGO 首次发现引力波的科学家来说，发现这些黑洞对的位置和背景故事是一项激动人心的新挑战。“如果你允许我使用一个圣经式的比喻，我们已经在沙漠中徘徊了大约 40 年，”赖策说。“从 LIGO 被构想到我们进行探测时，确实有 40 年的时间。现在我们刚刚走进了应许之地。所以我们必须探索应许之地。谁知道它有多大。谁知道我们会发现什么。但我确信这将是令人兴奋的。”