重大发现：首次观测到宇宙背景引力波的回响

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编译：刘峰

校译：钟艺

编排：刘斯媛

后台：朱宸宇

https://www.quantamagazine.org/an-enormous-gravity-hum-moves-through-the-universe-20230628/

https://www.scientificamerican.com/article/scientists-thrill-at-first-hints-of-cosmic-hum-from-giant-gravitational-waves/

天体物理学家近日发现了一种前所未见的引力波，这种引力波是由数对超大质量黑洞合并产生的。

100米绿岸射电望远镜在过去15年已经测量了数十个脉冲星的频率

经过近二十年不懈地聆听，天文学家终于听到了他们认为来自我们宇宙庞然大物——超大质量黑洞的引力波的隆隆声。

该研究成果来自美国国家科学基金会赞助的一项名为北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）的计划。自2004年以来，NANOGrav一直在监测来自银河系脉冲星的规律性闪光。脉冲星是死亡的恒星，这些如城市大小的星体由爆炸的大质量恒星的核心物质锻造而成，重量相当于整个太阳，每秒可以旋转数千次。脉冲星的规律性脉冲使得其称为宇宙中极其精确的计时器，而这样的特性进一步使得它成为探测时空的涟漪——“引力波”的理想的“烽火台”。

这种引力波不同于以前从激光干涉仪引力波天文台（LIGO）和其他地球探测器发现的引力波。首先，通过脉冲星发现的引力波并不都可以追溯到单个合并事件。它们将形成所谓的引力波背景，即整个宇宙中累积的所有引力波相合并产生的时空“沙沙声”。另一个重要的区别是，这些波的波长都接近我们太阳系的大小，这使它们更难被发现。然而，引力波在经过脉冲星遍布的宇宙空间时，巨大的时空涟漪会令脉冲星自旋产生微小偏移，从而揭示它们的存在，使得观察者可以通过艰苦的测量来瞥见它们。

“这非常令人兴奋，因为我们认为我们已经开启了引力波宇宙的新窗口，”威斯康星大学密尔沃基分校的天体物理学家，NANOGrav的成员Sarah Vigeland说。

Sarah Vigeland是威斯康星大学密尔沃基分校的天体物理学家，也是NANOGrav引力波探测工作组的主席，是NANOGrav研究的190多名研究人员之一。

迄今为止，该国际合作的工作尚未完全达到物理学家如何评估发现可靠性的统计标准。因此，就目前而言，从事该项目的科学家谦虚地声称仅仅发现了引力波背景的“证据”，而不是“煮熟的鸭子”。但他们相信，伴随着额外的观察结果，将有里程碑式的新发现。

NANOGrav只是全球正在进行的几个不同的脉冲星计时监测阵列项目之一。所有这些努力都遵循相同的基本蓝图：他们使用射电望远镜连续多年监测数十颗脉冲非常好预测的脉冲星，以捕捉其旋转节奏上的微小变化。

“我们可以创建这些模型，基本上让时间精度可达到与原子钟相媲美的程度，”康奈尔大学的天体物理学家，NANOGrav的成员Thankful Cromartie说。“所以我们可以知道什么时候发生了一些特别的事情，导致了脉冲星在休息时间突然 ‘滴答’作响”——这是由于引力波拉伸和缩小了地球和每颗脉冲星之间的空间。

这是一个非常优雅的自然实验。“你不需要建造这个价值数十亿美元的探测器；你只需要组装一个射电望远镜，看看宇宙，“西北大学的天体物理学家和NANOGrav成员Caitlin Witt说。

虽然脉冲星计时阵列不需要非常专业的探测器，但它们确实需要耐心。基于2020年NANOGrav之前的论文，这些论文报告了一个与引力波背景预期一致的更边缘的信号，而最新结果涵盖了北美合作的15年数据。NANOGrav现在正在监测68颗不同的脉冲星，它们形成了一个天然的引力波探测器，大小与我们银河系相当。该项目分析中的“新”数据一直持续到2020年8月，当时波多黎各阿雷西博天文台的标志性射电望远镜倒塌并停止观测。加拿大“氢强度测绘实验”已经接手了它的工作，加入NANOGrav以增强其能力。

波多黎各阿雷西博天文台，目前已经倒塌停止运行。

尽管今天发布了大量数据量和充满希望的公告，科学家们才刚刚开始探测引力波背景，而且遇到的问题仍然多于找到的答案。

例如，虽然共识认为超大质量黑洞对是贡献大部分引力波背景的特定天体物理来源，但对此的确凿证据仍然难以捉摸。

西弗吉尼亚大学的天体物理学家、NANOGrav的成员Maura McLaughlin说。“你可以把每个单独的超大质量黑洞双星想象成一个仪器，引力波背景是所有这些组合在一起的交响乐。”但其他“乐器”也可能存在，可以想象，它们可以对嘈杂的引力波宇宙背景做出同样多甚至更多的贡献。

通过分析这一交响乐的“声音”，科学家们希望确定有多少这样的乐器在共同演奏，甚至开始了解这些超大质量黑洞双星的样子。由于科学家认为这些双星是超大质量黑洞宿主星系之间碰撞的结果，NANOGrav的工作将会揭示包括银河系在内的大型星系的分层结构。

但其他更奇怪的现象，如宇宙弦或大爆炸后大规模膨胀的量子涨落，也可能影响引力波背景。科学家们还没有足够的数据来区分或知道有多少信号来自这些类型的来源。

NANOGrav报告的引力波背景信号的一个特别令人困惑的方面是，它出奇地强——大约是预测的两倍。如果没有更合理的解释，并且信号仅来自超大质量黑洞双星（双黑洞）合并，那么其意料之外的力量可能提醒我们这些巨物本身比科学家们猜测的更为巨大或数量更多。

这样的发现可能会激发新的探索方向，在更传统的探测数据中寻找合并超大质量黑洞的证据，普林斯顿大学的天体物理学家珍妮格林说，他没有参与这项新研究。“这有点尴尬：我们预计这属于超大质量黑洞正在合并，但我们真的无法找到观测证据，”她说。“如果有这么多双黑洞，我们真的应该能够找到它们，所以我认为这将激发这方面的新努力。

为了理清信号的来源，科学家们需要花更多的时间观察更多的脉冲星。“这有点像你挖出一具恐龙骨架，然后你开始把它从泥土里挖出来。起初你会想，'哦，这看起来很酷。然后你去除的泥土越多，骨架的整体结构就越清晰可见，“耶鲁大学天体物理学家、NANOGrav成员Chiara Mingarelli说。“现在我们肯定知道我们发现了一具恐龙骨架，但也许我们还不知道它是什么样的恐龙。

尽管存在这种不确定性，科学家们确信信号是真实的，并且来自引力波，因为仅在最新一批NANOGrav数据中出现了蛛丝马迹。1983年，研究人员计算出，通过不同的脉冲星检测到的引力波背景信号时会根据其所在位置略有变化，但这种变化可以预测。而NANOGrav科学家们声称，这批数据正显示出了这种相关性。“这是整块拼图真正令人兴奋的一块，它开始让你相信他们真的在探测合并的黑洞，”格林说。

随着NANOGrav和其他脉冲星计时阵列继续他们的工作，科学家们不仅希望了解哪一类物体正在产生引力波背景，而且还希望开始看到来自不同的超大质量黑洞对的信号从背景噪声中出现。

“真正的考验将是检测单个合并事件，”乔治梅森大学的天体物理学家Shobita Satyapal说，他没有参与这项新研究但仍为之感到兴奋。

NANOGrav的科学家们也很高兴能够继续与澳大利亚，欧洲和印度的类似脉冲星计时阵列实验的合作者合作，将所有这些小组的观测结果整合到一个更强大的探测器中，该项目被称为国际脉冲星计时阵列。“我认为把这些发现结合起来会更得到更大的发现，我也希望如此。”耶鲁大学天体物理学家，NANOGrav成员Priyamvada Natarajan说。

此外，一些较新的探测器也加入了这场狩猎。其中包括中国强大的五百米口径球面射电望远镜（FAST），该望远镜于2016年开始观测。“对于探测单个超大质量黑洞双星系统来说，真正重要的是拥有一个非常高效的望远镜，可以非常精确地记录我们候选的脉冲星，”Mingarelli说。“现在，中国的FAST望远镜确实在这方面处于领先地位。

中国贵州的天眼五百米口径球面射电望远镜（FAST）

随着脉冲星计时工作的继续，未来投入运行的天文台也可能助一臂之力。澳大利亚和南非的平方公里阵列将于2027年开始运营。北美科学家希望拥有自己的新天文台：天文学家提议在内华达州建造一个名为Deep Synoptic Array-2000的项目。无论来源如何，最重要的任务将是收集更多关于更多脉冲星的、更好的数据，这将有助于确定在宇宙中荡漾的引力波。

“未来几十年还有很多工作要做，”麦克劳克林说。“真的，这绝不是故事的结束——这只是一个开始。”

责任编辑：DAIKIN

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