NANOGRAV的15年旅程揭示了宇宙的嗡嗡声

引力波穿过我们的银河系时奏响了宇宙交响曲。今天，北美纳赫兹引力波天文台(NANOGrav)物理前沿中心在《天体物理学杂志快报》上发表的一组论文中发布了 15 年数据的结果。这项研究是极低频率引力波的第一个证据。该团队由 190 名科学家组成，其中包括 SETI 研究所研究员 Michael Lam 博士，他们利用脉冲星将银河系区域转变为巨大的引力波天线。NANOGrav 的工作涉及从 68 颗脉冲星收集数据，形成脉冲星计时阵列——一种独特类型的探测器。

“能够帮助打开一扇通往宇宙的新窗口真是令人兴奋，”林说。

脉冲星是一颗旋转的中子星，是超新星爆炸的残余物，具有规则的辐射脉冲。脉冲星的强烈磁场沿着磁极汇集粒子流，产生辐射束，就像信标或灯塔一样。如果我们沿着光束的视线定位，我们会在脉冲星旋转时看到爆发或辐射脉冲。这种脉冲率极其精确，使脉冲星成为终极的宇宙计时器。

NANOGrav 检查了三个射电天文台 15 年的数据：波多黎各的阿雷西博天文台、西弗吉尼亚州的格林班克望远镜和新墨西哥州的甚大望远镜。

阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论预测了引力波对脉冲星信号的精确影响。通过拉伸和压缩时空结构，这些波对每个脉冲星脉冲的时间产生了明显的影响，轻微地延迟了一些脉冲，同时推进了另一些脉冲。所有脉冲星对之间的时间变化都是相关的，相关模式取决于天空中两颗恒星的角距。

“NANOGrav 分析的大量脉冲星使我们能够见证广义相对论所预见的相关模式的初步迹象，”NANOGrav PFC 联合主任泽维尔·西门子博士表示。

2020 年，NANOGrav 科学家利用十多年的数据，在阵列中所有脉冲星的计时行为中发现了额外神秘“嗡嗡声”的迹象。在探索了其他解释后，他们对这个信号的真实性越来越有信心。随着更广泛的观察，它的检测变得越来越可行。然而，在那个阶段，广义相对论预测的引力波特征仍然太微弱而无法出现。经过十五年的脉冲星观测，周期跨度数年至数十年的引力波证据显着出现。

威斯康星大学密尔沃基分校的莎拉·维格兰博士领导 NANOGrav 揭示信号来源的工作，她断言：“随着引力波的确认，我们的下一个目标是利用这些观测结果来仔细检查产生这种天体嗡嗡声的来源。一种可能性是，信号来自一对超大质量黑洞，每个黑洞的质量都超过太阳的数百万或数十亿倍。当这些巨大的黑洞相互绕转时，它们会产生低频引力波。”

科学家认为，几乎每个大型星系的中心都存在超大质量黑洞。当两个星系合并时，超大质量黑洞不可避免地会向新形成的星系中心下降，以持续数百万或数十亿年的引力舞蹈聚集在一起。最终，这些双黑洞对将自行合并，但在那之前，它们逐渐的螺旋拉伸和压缩时空的结构，产生引力波，从它们的天体居所以光速向外波动，类似于宁静的涟漪。池塘，最终到达我们的宇宙邻居。

来自这些巨大双星的引力波信号重叠，类似于和谐的人群或迷人的管弦乐表演，产生包罗万象的背景“嗡嗡声”，将独特的模式蚀刻到脉冲星计时数据中。这种精确的图案一直是NANOGrav科学家近二十年来的终极追求。NANOGrav 新发表的一系列论文确立了这种引力波背景的第一个证据。

对这种背景嗡嗡声的深入分析已经揭开了围绕超大质量黑洞生长和合并的谜团。检测到的信号强度表明，宇宙中如此巨大的黑洞双星的数量达到数十万，甚至可能数百万。

对这一信号的进一步研究将增强科学家对宇宙大尺度演化的理解，从而深入了解星系碰撞的频率和驱动黑洞合并的机制。此外，大爆炸产生的引力涟漪可能构成该信号的一部分，从而让我们得以一睹宇宙的形成。此外，这些结果即使在最小的尺度上也具有影响，为我们宇宙域内奇异粒子的存在建立了界限。NSF 物理前沿中心项目主任迈克尔·卡瓦涅罗 (Michael Cavagnero) 表示：“这一里程碑代表了 NSF 在利用引力波信号和深入了解天体物理现象方面的多方面努力所取得的重大成就。”

随着时间的推移，NANOGrav 预计能够区分相对较近的单个超大质量黑洞双星的贡献。国家射电天文台的斯科特·兰塞姆博士惊叹道：“我们正在利用一个跨越整个星系的引力波探测器，它由奇异的恒星制成，这让我感到震惊。我们早期的数据暗示了一些非凡的事情，但我们没有意识到它的真实本质。现在我们明白它是宇宙引力的交响乐。当我们继续聆听时，我们很可能会辨别出宇宙管弦乐队演奏的旋律。将这些引力波发现与星系结构和演化的研究相结合将带来革命性的变化我们对宇宙历史的理解。”