国际科学家团队公布引力波背景辐射划时代发现

2023-06-30 07:49:43 科技日报

有一种东西，你看不到也感觉不到它，但你周围的一切，包括你自己的身体，都因它慢慢地缩小和扩大。这是穿过我们星系的引力波产生的奇怪时空扭曲效应。

(资料图)

经过15年的数据收集，现在，科学家们第一次“聆听”到了在宇宙中荡漾着的引力波永恒合唱，声音比预期要大得多。

这是针对引力波背景的划时代重大发现。

这是人类能测量的上限

引力波背景辐射是由许多不同的引力波源叠加而成的，它们的频率和强度都不相同，但都很低，它们应该存在于我们周围，并可能会告诉我们它恒久隐藏着的重要信息。但遗憾的是，关于其存在和组成，一直只是理论化的产物。

29日发表在《天体物理学杂志快报》上的一系列新论文中，科学家报告了他们的成果。此次探测到的引力波背景最可能的来源是陷入“死亡螺旋”的一对超大质量黑洞。这些黑洞庞大到能达到数十亿个太阳质量。由于几乎所有星系，包括银河系中心都盘踞着这样一个黑洞怪物。因此当两个星系合并时，它们的超大质量黑洞会相遇并开始相互绕转。一旦两个黑洞足够接近，就有可能被脉冲星计时阵列观测到。

如果将引力波背景比喻成古老而神秘的歌声，那么“合唱团”每天都在以不同的频率演出。现在，通过对脉冲星的监测，科学家终于听到了歌声，换句话说，就是拿到引力波背景的第一个证据。

北美纳赫兹引力波天文台(NANOGrav)的科学家表示，目前他们还只能测量整体引力波背景，而不能测量单个“歌手”或“乐器”的辐射。即便如此，也足以令整个天文物理学界惊喜。

因为“引力波背景的声音大约是我预期的两倍”，现为耶鲁大学助理教授明加雷利说：“这是我们的模型能从超大质量黑洞中创建的模型的上限。”

科学家们等于开启了一个未知领域。由于实验限制，他们无法估计是否有可能别的其他东西也正在产生强大引力波，例如弦理论预测的机制或宇宙诞生的其他解释。

接下来，才是慢慢解谜的开始。

一次银河系级别的实验

这次捕捉到的引力波与之前测量到的任何引力波都大不相同。

激光干涉引力波天文台和欧洲室女座干涉仪等地面仪器前几次检测到的是高频波，引力波背景则是由超低频波组成的。其中一个波浪的单次起伏，可能也需要数年甚至数十年的时间才能传递过去。由于引力波以光速传播，单个波长可能长达数十光年。

地球上没有任何实验能够探测到如此巨大的波，但“宇宙灯塔”脉冲星可以。

脉冲星是一种高速旋转、高度稳定、强烈辐射电磁波的星体。脉冲到达地球的规律就像节拍器一样精确，当引力波在地球和脉冲星之间通过时，无线电波计时就会立刻被扰乱。脉冲星计时阵列也就成为了当前最有希望探测到引力波背景的方法。

15年来，天文学家们对银河系中数十个毫秒脉冲星的无线电波进行了密切计时，此次的新发现就来自对67颗脉冲星阵列进行详细分析的结果。

为了这一结果，科学家们每年需要在世界上最大的望远镜上花费数千小时。因为，尽管听起来很强大，但“脉冲星其实也是非常微弱的射电源”，NANOGrav物理前沿中心联合主任莫拉·麦克劳林说。

期待“宇宙管弦乐队”的未来演出

关于宇宙的物理本质，人类还有很多东西需要了解，这离不开国际间科学家的通力合作。

NANOGrav团队并不是唯一一个报告引力波背景的团队。中国、欧洲、印度和澳大利亚团队发表的多篇论文报告称，他们的数据中存在相同的引力波背景信号。通过国际脉冲星计时阵列联盟，各个小组也正在汇集他们的数据，以更好地表征信号并识别其来源。

美国国家科学基金会主任塞瑟莱曼·潘查纳山表示，科学家们此次“在本质上创建了一个全银河系探测器，揭示了弥漫在宇宙中的引力波”。这是美国和世界各地研究机构的合作成果。

全世界对引力波背景的探索将持续下去。

NANOGrav联合主任、俄勒冈州立大学天体物理学家泽维尔·西蒙斯表示，当人类继续侧耳“聆听”时，个别“乐器”将在“宇宙管弦乐队”中脱颖而出。

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