15年后脉冲星计时提供了宇宙背景引力波的证据

一种频率极低的隆隆声，有节奏地拉伸和压缩时空以及嵌入其中的物质。

这是来自世界各地的几组研究人员得出的结论，他们在 6 月份同时发表了一系列期刊文章，描述了超过 15 年对银河系角落内毫秒脉冲星的观测。至少一个研究小组——北美纳赫兹引力波天文台(NANOGrav)合作组织——已经找到了令人信服的证据，表明这些脉冲星的精确节奏受到这些长波长引力波对时空的拉伸和挤压的影响。

“这是极低频率引力波的关键证据，”范德比尔特大学的斯蒂芬·泰勒说，他是这项研究的共同领导者，也是该合作的现任主席。“经过多年的工作，NANOGrav 正在打开一个全新的窗口引力波宇宙。”

引力波于 2015 年首次由激光干涉仪引力波天文台 (LIGO) 探测到。时空的短波长波动是由较小的黑洞或偶尔中子星的合并引起的，所有这些黑洞的重量都小于几百个太阳质量。

现在的问题是：长波引力波——周期从几年到几十年——也是由黑洞产生的吗?

NANOGrav 联盟的一篇论文于 8 月 1 日发表在加州大学伯克利分校的《天体物理学杂志快报》(ApJ Letters) 、物理学家卢克·佐尔坦·凯利 (Luke Zoltan Kelley)和 NANOGrav 团队认为，嗡嗡声可能是由数十万对超大质量黑洞产生的——每个黑洞的质量是我们质量的数十亿倍。太阳——在宇宙的历史上，太阳彼此之间的距离足够近，足以合并。该团队对包含数十亿个源的超大质量黑洞双星群进行了模拟，并将预测的引力波特征与 NANOGrav 的最新观测结果进行了比较。

黑洞在合并之前的轨道舞蹈会振动时空，类似于华尔兹舞者有节奏地振动舞池的方式。在宇宙 138 亿年的历史中，这种合并产生了引力波，这些引力波如今重叠在一起，就像扔进池塘的一把鹅卵石产生的涟漪一样，产生了背景嗡嗡声。由于这些引力波的波长是以光年为单位测量的，因此探测它们需要一个星系大小的天线阵列——一组毫秒脉冲星。

“我想房间里的大象是我们仍然不能100%确定它是由超大质量黑洞双星产生的。这绝对是我们最好的猜测，而且它与数据完全一致，但我们并不肯定，”说凯利，加州大学伯克利分校天文学助理兼职教授。“如果它是双星系统，那么这就是我们第一次真正证实超大质量黑洞双星系统的存在，这在 50 多年来一直是一个巨大的谜题。” 天体物理学家Chung-Pei Ma

说：“我们看到的信号来自于 3D 空间和时间上的宇宙总体。许多这样的双星的集合共同为我们提供了这个背景。”加州大学伯克利分校天文学和物理系朱迪·钱德勒·韦伯物理科学教授，也是 NANOGrav 合作组织的成员。

马指出，虽然天文学家已经通过无线电、光学和X射线观测识别出了许多可能的超大质量黑洞双星，但他们可以使用引力波作为新的警报器来引导它们在天空中的哪个位置搜索电磁波并进行详细研究黑洞双星。

Ma 领导了一个研究 100 个距离地球最近的超大质量黑洞的项目，并渴望找到其中一个黑洞周围活动的证据，这些证据表明存在一对双星，以便 NANOGrav 可以调整脉冲星计时阵列来探测那片天空的引力波浪。超大质量黑洞双星在合并之前可能会发射引力波几百万年。

背景引力波的其他可能原因包括暗物质轴子、宇宙诞生之初遗留下来的黑洞(所谓的原初黑洞)和宇宙弦。今天发表在ApJ Letters上的另一篇 NANOGrav 论文列出了对这些理论的限制。