1986年，中国科学院高能物理研究所和英国南安普敦大学物理系开展一项技术合作项目，我国高能物理研究所派张双南和一位副研究员一同赴英国进行为期半年的合作研究，在合作期间，张双南渊博的知识和勤奋敬业的精神，使英国同行们深为敬佩和感动。合作进展顺利，项目完成后，张双南被留在英国，继续攻读博士学位，并获得英国皇家奖学金。同时在英国南安普顿大学（SOUTH HAMPTOA UNI-VERSITY）获得天文博士学位。1989年年底，张双南从英国应聘到美国宾夕法尼亚大学，同年底到美国航天局太空总署马歇尔飞行中心进行天体物理研究。在此期间，他发明了一新型图像处理方法，并以此获得美国"杰出科研成果奖"。

张双南到马歇尔飞行中心后，对天体物理的研究进入了一个新的阶段，当时他的研究成果不断在天体物理学界引起震动，令世界上许多著名的科学家对这位来自中国的年轻科学家刮目相看。1993年，他的研究论文在世界上最有权威的英国《自然》杂志上发表。该杂志与美国的《科学》杂志齐名，是世界上最有名气、最有影响的科学杂志，在这两本杂志上发表论文，必须是世界一流水平，反映当今世界科研的最新成果。目前，我国两院院士中只有少数科学家在这两个杂志上发表过文章。张双南的论文能在该杂志发表，已说明他在世界天体物理研究上有着很高的影响。后来，他借助美国太空望远镜发回的照片资料，在广袤的宇宙空间不断发现新的天体。通过进一步的研究，1994年他发现的两个天体（黑洞）分别被命名为崐GRO1655-40和GRO--1915+105。

"黑洞"是一种特殊的天体，距地球非常遥远。1998年，法国数学家、天文学家拉普拉斯在牛顿力学基础上最早提出了天体中有"黑洞"的观点。自从爱因斯坦提出其著名的广义相对论之后，"黑洞"物理的研究已取得许多进展。尽管物理家们普遍接受在理论上"黑洞"的性质可以由三个物理量，即质量、自转和电荷作完整的描述，但实际的"黑洞"却不一定都同时具备这三个性质。"黑洞"具体的物理性质如何，这不仅对"黑洞"的形成和演化理论有决定性的检验作用，也有助于物理学家们进一步理解和验证广义相对论以及广义相对论和现代量子力学的统一，后者是当今物理学界最重要的研究课题。

为了确定"黑洞"并揭示出"黑洞"的自转规律，从1995年起，张双南和另外两位华裔科学家崔伟、陈莞一起，开始搜集黑洞数据资料。1997年2月份，正式构思"黑洞"旋转的研究，他们应用扫描原理，探测天体形象和银河系周围的物质，包括对原先由张双南发现并命名为GRO1655-40的"黑洞"的研究。由于"黑洞"本身不发光，于是利用银河系中双星系统的特性，和从数个人造卫星所收集的各X--射线资料，来勘测距"黑洞"最近一颗稳定行星的面积和转速，从而推算测定出"黑洞"以每秒钟十万次的极快速度旋转，在此项发现之前，宇宙间旋转间最快的物体是Crab.pulsar，每秒钟转动33次。根据爱因斯坦广义相对论的推测，"黑洞"是因银河中一个或群体星球的崩裂而造成的非常紧密而巨大的物体，且具有强大的引力磁场，任何东西包括光线在内都无法幸免被吸收。张双南博士认为，带有神秘色彩的"黑洞"一向是很难下定义的。目前仅能列出其质量、转动及电核等三种特性。"黑洞"的质量以前已被确定，现在又发现了"黑洞"的转动现象和测定其转速的方法，不但证实了爱因斯坦所预言的"黑洞自转"的理论，而且也在黑洞的研究方面向前迈出了一大步，这对天体物理学的研究，是一个极大的贡献。

不久，美国权威学术刊物《天体物理学》发表了华裔天文学家张双南、崔伟和陈莞的研究成果：率先观察黑洞的自转现象。论文一经发表，立即引起学术界和新闻媒体的巨大兴趣，并在世界天体物理学界引起轰动，该研究成果被认为是现代天体物理研究中的重大突破。很快被《人民日报》、中央电视台、中央人民广播电台相继报道，一时间成为我国科技界及新闻媒体关注的焦点。

张双南在科学上取得的这一巨大成就，充分显示了炎黄子孙的聪明和智慧，为中华民族争了光，赢得了荣誉，使他在世界天体物理学界声名远扬。很多国家的科学家慕名访问他，同时他也多次在世界各地召开的天文学家学术会上作报告。美国的哈佛大学、哥伦比亚大学、马里兰大学以及日本等地大学的讲坛上都留下了他的足迹。