科学家发现引力波海缓慢滚动的证据

科学家们报告了第一个证据，表明我们的地球和我们周围的宇宙充满了被称为引力波的时空波动背景。这些波在数年甚至数十年的时间里非常缓慢地振荡，被认为主要起源于一对在合并之前悠闲地旋转在一起的超大质量黑洞。

这些发现发表在《天体物理学杂志快报》上的一系列论文中 ，来自北美纳赫兹引力波天文台 ( NANOGrav ) 15 年的观测，该天文台是一个由国家科学基金会资助的物理前沿中心，拥有 190 多名科学家来自和加拿大的科学家。NANOGrav 使用来自射电望远镜(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)的数据来监测天空中 68 颗被称为脉冲星的死亡恒星。脉冲星的作用就像一个浮标网络，在缓慢滚动的引力波海洋上漂浮。

NANOGrav 团队成员、加州理工学院物理学助理教授 Katerina Chatziioannou 表示：“引力波对脉冲星的影响极其微弱且难以检测，但随着时间的推移，随着我们收集到更多数据，我们对这些发现建立了信心。” 。“未来，我们将继续进行更多观察，并将我们的结果与国际合作伙伴的结果进行比较，这将使我们能够从数据中了解更多信息。”

NANOGrav 团队成员、喷气推进实验室 (JPL) 首席科学家约瑟夫·拉齐奥 (Joseph Lazio) 表示：“我们有一种新方法来探索星系核心的巨大黑洞开始缓慢但不可阻挡的死亡螺旋时会发生什么。”加州理工学院天文学客座助理，负责管理宇航局喷气推进实验室。“我们认为这个过程对于许多星系来说是标准的，我们已经在不同的步骤中看到了很多例子，但我们终于开始看到关键的最后步骤之一。”

引力波最初由阿尔伯特·爱因斯坦 (Albert Einstein) 于 1916 年提出，但直到大约 100 年后，国家科学基金会 (National Science Foundation) 资助的 LIGO才从一对遥远的碰撞黑洞中 接收到引力波， 才被直接探测到。 。LIGO 探测到的引力波频率比 NANOGrav 记录的引力波高得多(NANOGrav 的名字来源于它探测纳赫兹范围内的低频引力波，即每隔几年一个周期)。较高频率的引力波来自较小的黑洞对，它们在碰撞前的最后几秒钟内快速地相互围绕，而较低频率的引力波被认为是由星系中心的巨大黑洞产生的，黑洞的数量可达数十亿个。它们的质量是我们太阳质量的几倍，它们缓慢地绕行，在合并之前需要数百万年的时间。

在新的研究中，NANOGrav 被认为从宇宙中许多对合并的超大质量黑洞中接收到了引力波的集体嗡嗡声。“人们将这种信号更多地与背景杂音进行比较，而不是 LIGO 接收到的喊叫声，”Chatzioannou 解释道，他也是 LIGO 团队的成员和 William H. Hurt 学者。

“这就好像你在一场鸡尾酒会上，你无法辨别出任何一个人的声音。我们只是听到背景噪音，”NANOGrav 团队成员、加州理工学院博士后学者研究员帕特里克·迈耶斯 (Patrick Meyers) 说道，他帮助领导了结果的统计测试。

NANOGrav 的脉冲星网络也称为脉冲星计时阵列。脉冲星是由大质量恒星爆炸形成的，发出的光信标以非常精确的间隔快速旋转。“这些就像灯塔灯塔一样，以固定的速度扫过。您可以将时间预测到数十纳秒的水平。在某些情况下，它们具有与原子钟相同的精度水平，”迈耶斯说。

当引力波穿过宇宙时，它们会轻微地拉伸和挤压时空结构。这种拉伸和挤压会导致地球和给定脉冲星之间的距离发生微小变化，从而导致脉冲星闪光的时间延迟或提前。为了寻找引力波的背景嗡嗡声，科学团队开发了软件程序来比较其网络中脉冲星对的时间。引力波会根据脉冲星与天空的距离不同程度地改变这个时间，这一模式最初是由喷气推进实验室的 Ron Hellings 和 George Downs 在 20 世纪 80 年代初从理论上计算出来的。

拉齐奥说：“想象一下，海洋上散布着成对的超大质量黑洞，激起许多涟漪。” “现在，我们坐在地球上，它就像脉冲星一样的浮标，我们试图测量涟漪如何变化并导致其他浮标靠近和远离我们。”

“为了梳理出引力波背景，我们必须确定许多令人困惑的效应，例如脉冲星的运动、银河系中自由电子引起的扰动、射电天文台参考时钟的不稳定性，甚至是太阳系中心的精确位置，这是我们在 NASA 的朱诺号和卡西尼号任务的帮助下确定的，”NANOgrav 团队成员、JPL 高级研究科学家、理论天体物理学客座助理 Michele Vallisneri 说道在加州理工学院。

未来的 NANOGrav 结果将包括加拿大的 CHIME 望远镜，该望远镜于 2019 年加入该项目。加州理工学院的 Deep Synoptic Array-2000(或 DSA-2000)，一个由 2,000 个无线电天线组成的阵列，计划在内华达沙漠建造并于 2027 年开始运行，也将包括在内。加入搜索。

科学家们希望解开有关超大质量黑洞合并本质的谜团，例如它们有多常见、是什么让它们聚集在一起，以及哪些其他因素促成了它们的合并。

“多年来，人们一直试图用望远镜寻找合并的超大质量黑洞，”Chatzioannou 说。“它们越来越近，并找到了更多的候选者，但由于黑洞距离太近，它们很难区分。将引力波作为一种新工具将有助于更好地了解这些神秘的野兽。”

“这是一个如此美丽、不太可能的实验：组装一个银河大小的引力波探测器，由整个银河系死亡恒星的脉冲驱动，并汇集一个由射电天文学家、中子星和黑洞专家以及引力学家组成的多学科团队。 -波科学家，”Vallisneri 说。

加州理工学院和喷气推进实验室的其他团队成员包括加州理工学院博士后 Aaron Johnson，他领导了一项审查和验证产生所有关键结果的主要分析代码的工作;JPL 高级研究科学家 Curt Cutler，帮助制定数据统计处理;加州理工学院研究生 Sophie Hourihane 开发了一种新方法来加速 NANOGrav 的分析。

一系列详细介绍新 NANOGrav 结果的论文已被《 天体物理学杂志快报》接受发表。这篇描述引力波证据的论文题为“NANOGrav 15 年数据集：引力波背景的证据”，由两位前喷气推进实验室/加州理工学院博士后 Sarah Vigeland(现就职于威斯康星大学)共同领导。密尔沃基)和斯蒂芬·泰勒(现就职于范德比尔特大学)。