宇宙中首次听到超大质量黑洞合并产生的引力波的轰鸣声

经过 15 年在星系大小的实验中收集数据后，科学家们首次“听到”了宇宙中荡漾的引力波的永恒合唱，而且声音比预期的要大。

这一突破性的发现是由北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）的科学家们做出的，他们密切监测着充当天体节拍器的脉冲星恒星。 新发现的引力波——时空结构中的涟漪——是迄今为止测量到的最强大的引力波：它们携带的能量几乎是单次探测到的黑洞和中子星合并引力波的一百万倍。 通过 LIGO 和 Virgo 等实验。

纳米图科学家在今天发表在《纳米图》上的一系列新论文中报告 天体物理学期刊通讯。

NANOGrav 科学家 Chiara Mingarelli 说，她在纽约市计算天体物理中心 (CCA) 担任助理研究科学家时就参与了这一新发现。 “这是引力波背景的第一个证据。我们为宇宙打开了一个新的观察窗口。”

背景引力波的存在和形成——长期以来一直存在于理论上，但闻所未闻——为解决长期存在的问题提供了新见解的宝库，从超大质量黑洞对的命运到星系合并的频率。

目前，NANOGrav 只能测量整体引力波背景，而不能测量单个“歌手”的辐射。 但即便如此，也带来了惊喜。

“引力波背景大约是我预期的两倍，”现为耶鲁大学助理教授的明加雷利说。 “这确实是我们的模型可以从超大质量黑洞中创造出来的东西的高端。”

震耳欲聋的大小可能是由于实验限制或更重、更丰富的超大质量黑洞造成的。 但明加雷利说，也有可能是其他东西产生了强烈的引力波，比如弦理论预测的机制或宇宙诞生的其他解释。 “接下来就是全部了，”她说。 “这仅仅是个开始。”

银河系范围的体验

多年来，达到这一点对于 NANOGrav 团队来说一直是一个挑战。 他们捕获的引力波与之前测量到的任何引力波都不同。 与LIGO和Virgo等地面仪器探测到的高频波不同，引力波背景是由超高频波组成的。 波浪的上升和下降可能需要数年甚至数十年的时间。 由于引力波以光速传播，单个波长可达数十光年。

地球上没有任何实验能够探测到如此巨大的波，因此 NANOGrav 团队转而将目光投向了恒星。 他们密切关注脉冲星，即变成超新星的大质量恒星的超致密残余物。 脉冲星就像恒星信标一样，从磁极发射无线电波束。 由于脉冲星旋转速度如此之快（有时每秒数百次），这些光束扫过天空，从我们在地球上的有利位置看去，表现为有节奏的无线电波脉冲。

脉冲像完美的计时节拍器一样撞击地面。 时间是如此精确，以至于当乔斯林·贝尔 (Jocelyn Bell) 于 1967 年测量到第一个无线电波时，天文学家认为它们可能是来自外星文明的信号。

当引力波在我们和脉冲星之间通过时，它会扰乱无线电波的计时。 这是因为，正如阿尔伯特·爱因斯坦所预测的那样，引力波在宇宙中荡漾时会拉伸和压缩空间，从而改变无线电波必须传播的距离。

15 年来，来自美国和加拿大的 NANOGrav 科学家一直利用波多黎各的阿雷西博天文台、西弗吉尼亚州的绿岸望远镜和新墨西哥州的甚大望远镜对银河系中数十个毫秒脉冲星的无线电波脉冲进行计时。 新发现是对一组 67 颗脉冲星进行详细分析的结果。

“脉冲星实际上是非常微弱的射电源，因此我们每年需要在世界上最大的望远镜上花费数千小时来进行这项实验，”西弗吉尼亚大学物理前沿纳米图中心联合主任莫拉·麦克劳林（Maura McLaughlin）说。 “美国国家科学基金会 (NSF) 对这些高度敏感的射电天文台的持续承诺使得这些发现成为可能。”

背景检测

2020 年，NANOGrav 科学家利用 12 年多一点的数据开始看到信号的迹象，即阵列中所有脉冲星计时行为所共有的额外“嗡嗡声”。 现在，经过三年的额外观测，他们已经积累了引力波背景存在的切实证据。

威斯康星大学密尔沃基分校 NANOGrav 探测工作组主席莎拉·维格兰 (Sarah Vigeland) 表示：“现在我们有了引力波的证据，下一步就是利用我们的观测结果来研究产生这种嗡嗡声的来源。”

引力波背景最可能的来源是死亡螺旋中捕获的成对超大质量黑洞。 这些黑洞确实非常巨大，包含数十亿太阳的质量。 几乎所有星系，包括我们的银河系，其核心都至少有一个巨大的星系。 当两个星系合并时，超大质量黑洞会相遇并开始绕彼此运行。 随着时间的推移，随着气体和恒星在黑洞之间穿过并窃取能量，它们的轨道会变窄。

最终，超大质量黑洞变得非常接近，以至于能量盗窃停止了。 几十年来，一些理论研究一直认为，当黑洞相距一秒差距（约三光年）时，它们就会无限期地崩溃。 这种接近但不是雪茄的理论被称为最后一个秒差距问题。 在这种情况下，只有三个或更多超大质量黑洞的罕见组合才会导致合并。

然而，成对的超大质量黑洞可能有一些秘密。 当它们相互绕行时，它们可以像强大的引力波一样发射能量，直到它们最终相撞，产生灾难性的结果。 NANOGrav 天体物理学小组负责人、加州大学伯克利分校的卢克·凯利 (Luke Kelley) 表示：“一旦两个黑洞靠得足够近，可以被脉冲星定时阵列观测到，那么没有什么可以阻止它们在短短几百万年内合并。”

NANOGrav 发现的引力波背景的存在似乎支持了这一预测，这可能会解决最近的秒差距问题。

由于超大质量黑洞对是由星系合并形成的，它们丰富的引力波将帮助宇宙学家估计整个宇宙历史中星系碰撞的频率。 Mingarelli、CCA 和康涅狄格大学的博士后研究员 Deborah C. Judd 及其同事研究了引力波背景的强度。 他们估计宇宙中存在着数十万、一百万甚至更多的超大质量黑洞双星。

替代来源

并非 NANOGrav 检测到的所有引力波都一定来自成对的超大质量黑洞。 其他理论建议也预测了极低频率范围内的波。 例如，弦理论预测，称为宇宙弦的一维断层可能在早期宇宙中形成。 这些弦可以通过发射引力波来耗散能量。 另一项提议表明，宇宙并不是从大爆炸开始，而是从大反弹开始，在大反弹中，负宇宙在向外膨胀之前会自行塌陷。 在这样的起源故事中，事故产生的引力波仍然会在时空中荡漾。

还有一种可能性是，脉冲星并不像科学家认为的那样是完美的引力波探测器，相反，它们可能存在一些未知的不对称性，从而扭曲了 NANOGrav 结果。 “我们无法走到脉冲星面前并再次打开和关闭它来查看是否有问题，”明加雷利说。

NANOGrav 团队希望在继续监测脉冲星的同时，探索新发现的引力波背景的所有可能贡献者。 该小组计划根据波浪的频率及其在天空中的起源来分解背景。

国际努力

幸运的是，NANOGrav 团队并不是唯一在追求这一目标的团队。 今天，由欧洲、印度、中国和澳大利亚的望远镜合作发表的几篇论文指出，他们的数据中存在相同的引力波背景信号。 通过国际脉冲星定时矩阵联盟，各个团体汇集数据以更好地表征信号并识别其来源。

“我们的综合数据将更加强大，”范德比尔特大学的斯蒂芬·泰勒说，他是这项新研究的共同领导者，目前正在主持 NANOGrav 合作。 “我们很高兴发现他们将揭示有关我们宇宙的秘密。”