天文学家利用死亡恒星探测时空中一种新的涟漪形式

今天，一支庞大的天文学家团队，即 NANOGrav 合作组织，宣布了一件了不起的事情：首次发现宇宙中存在引力波背景嗡嗡声的证据。这个位于美国和加拿大的研究小组利用整个星系的死星作为银河系大小的测量设备，发现了这些扭曲的波动。

纳格罗夫和范德堡大学天文学系主任斯蒂芬·泰勒在新闻发布会上表示：“我们在过去 15 年中一直致力于寻找这种背景。”“我们很高兴地宣布，我们的努力得到了回报。”这些波可以揭示宇宙中散布的黑洞类型，这将有助于天文学家弄清楚星系是如何生长和变化的。

引力波是时空结构中的涟漪。就像望远镜专门用于探测电磁波谱的不同部分一样，引力波实验也对不同的波长敏感。LIGO 实验于 2016 年首次发现了引力波，它可以探测到较短的波，例如两个恒星大小的黑洞碰撞时产生的波。但它无法感知较长、较低频率的波，一些天文学家认为这些波是解开宇宙历史的关键。

“如果我们想观察最大的黑洞以进一步了解星系演化，以及检验现代物理学前沿的理论，我们就需要能够观察低频引力波，”范德比尔特大学天文学家、NANOGrav 团队成员威廉·兰姆说。

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这种引力波来自质量最大的黑洞，它们应该会在整个宇宙中合并，产生背景噪音，就像宇宙电视静电一样。有一段时间，天文学家担心这些巨型黑洞永远无法靠得足够近，无法合并成一个星系中心，这对我们理解星系的演化来说是一个大问题——并且会导致更安静的引力波背景。自从 NANOGrav 听到信号后，天文学家现在知道这些黑洞确实会发生碰撞，他们可以弄清楚星系如何合并的细节。大爆炸后不久产生的引力波也可能对这种背景有所贡献，为探索宇宙的最初几秒钟提供了一种方法。

为了探测到这种低频信号，天文学家需要进行比整个地球还大的实验——可能是整个星系的大小。幸运的是，大自然提供了工具：脉冲星。脉冲星是最重恒星的死核，它们喷出光流并以令人难以置信的速度旋转。就像观看灯塔的光束一样，当它们的喷流旋转向我们时，我们会看到它们更亮——不知何故，大自然是最好的灯塔守护者，因为脉冲星的时间和原子钟一样可预测。

然而，当这些脉冲星乘着引力波的膨胀时，时空涟漪会扭曲这种精度。脉冲星计时阵列 (PTA) 是一组射电望远镜，它们记录整个星系的脉冲星，并可以测量脉冲星原本超精确的时钟中的这些微小偏差。脉冲星周期的许多微小变化共同描绘出一幅画面，描绘出长而低频的引力波如何在整个星系中传播。为了进行这些测量，NANOGrav 使用了北美各地的望远镜：波多黎各著名的阿雷西博望远镜（现已倒塌）、西弗吉尼亚州的绿岸望远镜、新墨西哥州的甚大阵列和加拿大的 CHIME 实验。

密西西比大学天文学家苏米特·库尔卡尼 (Sumeet Kulkarni) 表示，脉冲星计时“与 LIGO 探测引力波的方式有着根本的不同”，他没有参与这项新研究。他补充说：“我发现这项发现特别令人惊奇的是其中涉及的协调”，即众多望远镜和贡献者之间的协调。

这一新结果使用了 NANOGrav 的 PTA 15 年的数据，但还不足以让团队将其称为正式探测。相反，研究人员使用了“有力证据”一词。但由于信号会随着时间的推移而增强，他们相信几年后就能得到明确的探测结果。加州大学伯克利分校天文学家、NANOGrav 团队成员 Luke Kelley 在新闻发布会上表示：“我们将能够绘制出越来越好的引力波天空地图。”

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此次探测的全部意义尚待了解，但对这些低频波的研究才刚刚开始。国际脉冲星计时阵列的成员拥有来自世界各地的类似数据，包括澳大利亚、中国和印度。当天文学家将它们汇总在一起时，这些测量结果将更加有力，可能在明年内完成。