自2015年以來，LIGO-Virgo-KAGRA合作組織已經探測到大約85對黑洞相互碰撞。我們現在知道，愛因斯坦是對的：引力波是由這些系統產生的，因為它們在相互碰撞時，巨大的質量扭曲了時空。

藝術家對一個星團核心的黑洞集合的印象。資料來源：歐空局/Hubble, N. Bartmann

我們還知道，這些宇宙碰撞經常發生：隨著探測器靈敏度的提高，我們有望在2023年開始的下一次觀測中，幾乎每天都能感覺到這些事件。

但我們還不知道的是，是什麼導致了這些碰撞的發生。

黑洞在大質量恆星死亡時形成。通常情況下，這種死亡是劇烈的，是一種極端的能量迸發，會摧毀或推開附近的物體。因此，在宇宙的年齡範圍內，很難形成兩個足夠近的黑洞來合併。讓它們合併的一個方法是在人口密集的環境中把它們推到一起，比如星團的中心。

在星團中，開始時相距甚遠的黑洞可以通過兩種機制被推到一起。首先，是質量隔離，這導致質量最大的物體向引力勢阱的中間沉降。這意味著分散在整個星團中的任何黑洞都會在中間形成一個無形的”暗核”。第二，存在著動態的相互作用。如果兩個黑洞在星團中配對，它們的相互作用就會受到附近物體引力的影響。這些影響可以從雙星中移除軌道能量，並將其推到一起。

在星團中可能發生的質量隔離和動力學相互作用會在合併的雙星的屬性上留下它們的指紋。一個關鍵屬性是雙星在合併前的軌道形狀。由於星團中的合併可能發生得非常快，所以軌道形狀可能相當拉長–不像是地球圍繞太陽的平靜、沉穩的圓圈，而更像是哈雷彗星在進出太陽係時的擠壓橢圓。當兩個黑洞處於這樣一個拉長的軌道上時，它們的引力波信號具有特徵性的調製，可以研究出這兩個物體在哪里相遇的線索。

一個由OzGrav研究人員和校友組成的小組正在共同研究黑洞雙星的軌道形狀。由Isobel Romero-Shaw博士（原莫納什大學，現駐劍橋大學）領導的小組與莫納什大學的Paul Lasky和Eric Thrane教授一起發現，LIGO-Virgo-KAGRA合作組織觀測到的一些雙星可能具有拉長的軌道，表明它們可能在一個人口稠密的星團中發生碰撞。他們的發現表明，觀察到的雙星黑洞碰撞中的一大塊–至少35%可能是在星團中形成的。

“我喜歡把黑洞雙星想像成舞伴，”羅梅羅-肖博士解釋說。”當一對黑洞孤立地演化在一起時，它們就像一對夫婦在舞廳裡單獨表演緩慢的華爾茲。它是非常受控和謹慎的；美麗，但沒有什麼意外。與此形成鮮明對比的是星團內狂歡式的氛圍，在那裡你可能會有很多不同的舞蹈同時發生；大大小小的舞團，自由式的，還有很多驚喜！”

雖然這項研究的結果不能告訴我們觀察到的黑洞雙星到底在哪里合並，但它們確實表明，星團中心的黑洞狂歡可能是一個重要貢獻。