圖註：當兩個黑洞合併時，它們的大部分質量可以在一個非常短的時間間隔內轉換為能量。 當超大質量黑洞發生時，它們有可能成為整個宇宙歷史上最活躍的事件。上周，美國宇航局錢德拉X射線天文臺宣布了宇宙有史以來最活躍的爆炸事件，從而創造了歷史。在距地球3.9億光年遠的星系團中，一個超大質量的黑洞發射出了一個噴射流，在該星系團的星際空間中形成了一個巨大的空腔。產生此現象所需的能量總量約 5×10^54 J：比大爆炸以來看到的任何事件都要多的能量。
但是，宇宙中確實存在另一類事件，可以在更短的時間內輸出更多的能量：兩個超大質量黑洞的合併。雖然我們從來沒有見過這樣的事件，但這只是時間和技術的問題。一旦超大質量黑洞合併，舊的記錄將被被徹底打破。
圖註：該模擬顯示了在現實的富含氣體的環境中兩個超大質量黑洞合併而成的兩個靜止圖像。 如果合併的超大質量黑洞的質量足夠高，則這些事件是整個宇宙中最活躍的單個事件，這似乎是合理的。在自然宇宙中，有很多事件可以看作是爆炸或災難，在短時間內會釋放大量能量。 一顆壽命很長的巨大恆星將在災難性II型超新星中爆炸，產生黑洞或中子星，成為恆星屍體。 在生命的最後幾秒鐘內，它將釋放約10^44 J的能量，超新星（或超發光超新星）的能量可達該數量的100倍。
在很長一段時間裡，超新星被用作衡量其他所有大災難的標準。作為天空中最明亮的電磁事件，它們可能比整個星系更耀眼，這取決於它們各自的亮度和星系的整體質量。
圖註：超發光超新星SN 1000 + 0216的圖示，是自距離宇宙只有16億年的z = 3.90的紅移以來有史以來最遙遠的超新星，它是單個超新星的當前記錄保持者。 就亮度而言，它很容易勝過整個星系。 就力量而言，它可以短暫地與宇宙中的大多數星星競爭。唯一能與超新星釋放的能量相匹敵或超過這種能量的是伽馬射線爆發或更大範圍的爆發，諸如合併星系或星系團之類的擴展事件，或是以大量物質為食的超大質量黑洞。在20世紀10年代，我們發現了至少一些伽馬射線爆發的起源：千新星，或者兩顆中子星的合併。在引力波和電磁輻射之間，相當數量的質量（價值約10^29公斤）轉化為純能量，導致能量釋放約10^46焦耳。
在另一個極端，活躍的星系和類星體可能更有能量。巨大的質量，也許是價值數百萬甚至數十億的太陽質量，可以被導入一個中心的超大質量黑洞，在那裡它被撕裂、吸積和加速。所噴射的物質和輻射總能量可達10^54J，儘管它的噴射時間超過了一百萬年（或更多）。
圖註：Pictor A的X射線/無線電合成圖像的注釋版本，顯示了反噴流、熱點和許多其他迷人的特徵。這個相對論噴流由一個活躍的星系提供動力，釋放出巨大的能量，但時間跨度很長（約10^6年），而不是一下子全部釋放出來。但是宇宙給了我們一種方法來釋放更大的能量，並且在更短的時間尺度上這樣做。解開這個謎團的關鍵是在過去的十年裡，美國國家科學基金會（NSF）的雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）直接探測到了第一個引力波事件：來自兩個合併的黑洞。有史以來第一次，兩個質量不同的黑洞（分別為36和29個太陽價值）合併在一起，產生了質量較小（62個太陽價值）的最終狀態黑洞。
這是一件非常大的事情，讓一些科學家獲得了2017年諾貝爾引力波發現獎。在隨後的幾年裡，發現了更多的黑洞合併和合併候選者，到目前為止（迄今為止）已知約50個。在所有的情況下，都觀察到了同樣的奇異和迷人的行為：在短短幾毫秒的時間尺度上，大量的質量被轉換成純能量。
圖註：兩個黑洞合併的說明，質量與LIGO第一次看到的相當。在一些星系的中心，可能存在超大質量的雙星黑洞，產生的信號遠強於本圖所示，但其頻率LIGO並不敏感。對於這些黑洞與黑洞的合併，尤其有兩點非常有趣。
在所有情況下，發出的峰值功率或每次能量都大致相同。它們在一秒鐘之內就使宇宙中的所有星星都黯然失色，但是更大規模的合併使它們的峰值功率輸出出現在更長的時間段內，從而散發出更多的總能量。您可以很簡單地近似得出黑洞與黑洞合併中引力波釋放的總能量：通過愛因斯坦的E = mc^2，低質量黑洞質量的大約10％被轉換為純能量。對於首次發現的黑洞與黑洞合併，其總能量約為10^47焦耳，且發生的時間間隔僅為200毫秒左右，這導致了一個迷人的可能性。
圖註：這些碰撞星系的凌亂核心掩蓋了兩個合併的星系核的最後階段。這五個星系的右圖顯示了銀河系核心在紅外光下的特寫，清楚地顯示了兩個單獨的黑洞的存在。在足夠的時間內，這些黑洞將全部合併在一起。不是兩個「恆星質量」黑洞合併在一起，每個黑洞的質量從幾個太陽質量到幾十個太陽質量不等，我們可以看到宇宙中質量最大的黑洞：在星系中心發現的超大質量黑洞。當它們合併在一起時，一系列的事件將展開，導致能量的巨大釋放，至少理論上是這樣，這種釋放應該發生在我們的後大爆炸宇宙中。
特別地：
當兩個星系合併時，由於其他質量之間的引力相互作用，它們的黑洞將優先向新的相互中心下沉。與氣體和其他正常物質的相互作用將在一段時間內佔據主導地位，導致這些黑洞的軌道相對較緊，周期較短。在最後的合併階段，持續約2500萬年，引力波將佔主導地位，儘管這遠遠超出了LIGO等檢測器的範圍。
圖註：在已知的宇宙中，最大的一對黑洞是OJ 287，其引力波將超出LISA的範圍。 基線較長的引力波天文臺可以看到它，脈衝星定時陣列也可以看到它。當兩個黑洞合併在一起時，它們的相互吸引導致了空間的變形，它們通過變形空間的運動導致了引力輻射的發射，引力輻射將能量從黑洞系統帶到了宇宙之外。鑑於我們知道黑洞的質量是太陽質量的數十億倍，數億太陽質量的黑洞與數十億太陽質量的黑洞合併是必然的。
一個特別的系統，OJ 287，由一個1.5億太陽質量黑洞組成，在一個180億太陽質量黑洞的近軌道上。當它們合併時，大約3×10^54j的能量將在短短幾個小時的時間內釋放出來。不幸的是，LIGO甚至LISA無法檢測到頻率。但是在合併之前，一種不同的技術（一種基於脈衝星時序的技術）可能會揭示出這樣的大型合併，特別是如果兩個質量在規模上彼此接近的話。
圖註：此圖顯示了在時空陣列中監視的多個脈衝星可以檢測到引力波信號，因為時空受到電波的幹擾。 類似地，足夠精確的雷射陣列原則上可以檢測出引力波的量子性質。根據我們最好的現代估計，第一個令人鼓舞的超大質量黑洞應該在十年內被先進的脈衝星定時陣列（如NANOGrav，歐洲脈衝星定時陣列和Parkes脈衝星定時陣列）發現。當這些超大質量黑洞激發旋進時，它們應該以足夠大的振幅和可預測的、可觀測的頻率發射引力波，這意味著——如果我們了解如何對這些超大質量雙星黑洞的頻率和種群進行建模——在20世紀20年代，我們應該能探測到我們的第一個黑洞。
當我們探測到第一次黑洞合併時，有一個短暫的時間，持續時間在200毫秒以下合併產生的能量超過了宇宙中所有恆星的總和。如果我們能找到一個質量較小的黑洞合併體，它的質量超過5億太陽質量，那麼它不僅會在一周內釋放出比宇宙中所有恆星都要多的能量，而且它將成為大爆炸以來能量最大的事件，在這段時間間隔內釋放出約10^55J的能量。
圖註：此圖描繪了超大規模黑洞合併的各個階段，以及科學家認為隨著事件的發展而出現的預期信號。但是，有很多例子是合理的，特別是在豐富的星系團中，那裡有兩個數十億甚至數百億太陽質量的黑洞將合併在一起。 例如，在昏迷星系團中，兩個質量最大的星系是NGC 4889，其黑洞質量為210億； NGC 4874，看起來更大，擁有兩倍於球狀星團的質量，但它的黑洞質量未知。
當兩個包含超大質量黑洞的星系合併時，我們也不會只尋找引力波。它們應該發出明顯的電磁輻射信號，尤其是在X射線中，這應該有可能同時研究引力波和電磁信號中的這些大事件，甚至在它們合併之前。 隨著歐空局的雅典娜和美國宇航局的Lynx會擴大我們的X射線天文學武器庫，我們可能最終會發現一個典型的例子，它有望成為宇宙中最具活力的事件。
圖註：當兩個超大質量黑洞相互環繞運行時，它們不僅會擾亂並加速圍繞它們的物質，而且還會在發射的電磁輻射中留下與引力波輻射互補的明確特徵，為直接檢測提供了另一條途徑，並提供了一種獨立確認的方法 黑洞的質量。合併黑洞最顯著的一個事實是，巨大的引力波能量釋放速率根本不依賴於黑洞的質量，而是由宇宙的基本常數決定的。黑洞越重，它們釋放的能量就越多，但它們會持續更長的時間，而不是以更大的強度爆發。它們應該仍然代表著整個宇宙中最有活力的事件，但最巨大的事件應該在最後幾年甚至幾十年裡發出它們最有活力的信號，而不是在幾毫秒內全部發出。
隨著儀器、探測器和新技術的不斷改進，超大質量雙星黑洞合併的最初信號可能在本世紀晚些時候出現，這對於引力波天文學來說將是一個不可思議的發展，而引力波天文學在不到5年前才首次獲得成功。毫無疑問，超大質量黑洞合併是整個大爆炸後宇宙中能量最強的單一事件。