在宇宙某處，巨大的黑洞正緩慢地相互環繞，其運動無法被直接觀察、拍攝或感知。這些天體的質量超過我們的太陽數百萬甚至數十億倍，但它們最終接近碰撞的過程可能需要數世紀或更長時間。科學家們長期以來認為這樣的雙黑洞應該在運動中輕微擾動時空，但直到最近，尚無可靠的方法可以指向這些系統的位置。現在，來自北美納赫特重力波觀測台（NANOGrav）的研究人員，包括耶魯大學的物理學家，發表了一項新研究，表明這個問題可能終於得以解決。
通過結合時空的微妙扭曲與對異常明亮的星系中心的觀察，研究作者展示了一種實際方法，用於識別合併超大質量黑洞的可能位置。這項工作為天文學提供了一種前所未有的工具，能夠在天空中繪製重力波並將其與實際的宇宙結構連接起來。耶魯大學的物理學助理教授兼研究作者之一的Chiara Mingarelli表示，我們的發現為科學界提供了首個具體基準，以開發和測試針對個別連續重力波源的檢測協議。
單個黑洞合併事件雖然隱蔽，但為何會如此？重力波並不是全都相同。地面觀測站檢測到的波來自暴力且短暫的事件，而超大質量黑洞雙體的行為則截然不同。它們發出的波動在數年內起伏，而非數秒內變化，使得這些信號極難分離。NANOGrav並未建立傳統檢測器，而是依賴於分散在銀河中的自然時間標記：脈衝星。這些是快速旋轉的恆星殘骸，向地球發送穩定的無線電信號。如果地球與脈衝星之間的時空緩慢扭曲，則這些信號會比預期稍早或稍晚到達。
在2023年，科學家們使用這一方法宣布了許多遙遠黑洞對脈衝星信號的集體影響，產生了一個微弱的全天空重力波背景。然而，這些結果存在一個主要限制。該信號是混合的——它顯示了波的存在，但未能確定哪個物體是其來源。
新研究專注於將這種模糊信號轉化為更精確的信息。關鍵思路是停止同時在各處搜尋，而是集中在超大質量黑洞雙體最有可能存在的地方。之前的研究顯示，擁有類星體的星系，即由物質墮入黑洞而驅動的極其明亮的區域，統計上更有可能包含兩個大質量黑洞的軌道。利用這一見解，研究團隊設計了一種針對性的搜尋策略。他們檢查了114個活躍的星系核，將脈衝星定時數據與類星體亮度隨時間變化的測量相結合。
這使他們能夠測試這些星系是否可能產生足夠影響觀測到的脈衝星的穩定、連續重力波信號。研究人員並未聲稱有明確的檢測結果，而是根據與預期的匹配程度對候選者進行了排名。SDSS J1536+0411和SDSS J0729+4008這兩個星系表現突出。團隊給它們取了非正式的名字，「Rohan」和「Gondor」，靈感來自於《指環王》。
這項研究首次顯示，尋找個別超大質量黑洞雙體的工作不再是猜測。然而，這項工作的直接重要性不在於具體的黑洞合併發現，而是建立了一個可操作的檢測框架。Mingarelli補充道，我們的工作為系統性超大質量黑洞雙體檢測框架鋪平了道路。即使只有幾個確認的來源，也將提供固定的參考點，使科學家能夠更好地解釋重力波背景並將其與星系演化聯繫起來。
從長遠來看，這一方法可能有助於回答更深層次的問題：星系合併的頻率、超大質量黑洞的成長，以及重力是否在最大尺度上如當前理論預測的那樣運作。此外，這也將重力波天文學與傳統觀測更緊密地聯繫起來，將不可見的時空信號與可見的宇宙結構相結合。這項研究發表在《天體物理學期刊快報》中。
