历史上第一次，天文学家利用银河系中毫秒脉冲星探测到低频引力波
（神秘的地球uux.cn）据美国太空网（Sharmila Kuthunur）：天文学家第一次听到了在整个宇宙中回荡的微弱的引力波的嗡嗡声。
近十年来，科学家一直在寻找引力波背景，这是一种微弱但持久的引力波回声，被认为是由大爆炸和宇宙中超大质量黑洞合并后不久发生的事件引发的。虽然物理学家很早就提出了这样一种背景，天文学家也在寻找这种背景，但组成这种背景的引力波信号很难检测到，因为它们很微弱，而且以十年为时间尺度振动。现在，长期的观测终于证实了它们的存在。
在周三(6月28日)一项备受期待和全球协调的公告中，世界各地的科学家团队报告了这些流经银河系的宇宙波纹的“低声嗡嗡声”的发现。
田纳西州范德比尔特大学(Vanderbilt University)的引力波天体物理学家、该研究的共同负责人斯蒂芬·泰勒表示，尽管天文学家并不确定是什么导致了这种嗡嗡声，但探测到的信号是“令人信服的证据”，并且与理论上对大量“整个宇宙中最大的黑洞”产生的引力波的预期一致，这些黑洞的重量高达数十亿个太阳。
艺术家对一系列脉冲星的解释，这些脉冲星受到遥远星系中超大质量黑洞双星产生的重力波纹的影响。(图片来源:Aurore Simonnet，NANOGrav合作组织)
中国、印度、欧洲和澳大利亚的科学家发表的一系列论文也揭示了同样的信号。他们说，这些信号可能来自合并的超大质量黑洞，这些黑洞在宇宙舞蹈中被捕捉到，在缩小数百万年的轨道上相互环绕。在这个过程中，它们以引力波的形式释放能量，在整个宇宙中回荡——天文学家现在说他们已经探测到了这种波。
科学家报告说，随着时间的推移，观测到的引力波背景嗡嗡声越来越重要，提供了诱人的证据，证明在未来几十万年内，可能会有数十万甚至数百万个超大质量黑洞合并，尽管这些巨大的物体本身尚未被发现。
作为引力波探测器的宇宙灯塔
为了检测引力波背景，天文学家研究了被称为毫秒脉冲星的快速旋转的恒星，这是一种每秒钟旋转高达700次的死星，具有惊人的规律性，从其磁极发出光束，当它们在地球方向闪烁时，被视为“脉冲”。
这种宇宙灯塔可以帮助发现来自超大质量黑洞的引力波，比我们的太阳大几百万到几十亿倍。相比之下，激光干涉引力波观测站(LIGO)网络只能探测到来自比太阳大10倍的较小黑洞的引力波。
如果地球和脉冲星之间的巨大空间绝对是空的，那么来自闪烁的宇宙时钟的光每次向我们的方向发出脉冲，都需要相同的时间到达地球。实际上，脉冲的时间受到一些因素的影响，如星际介质中的气体和尘埃，脉冲星以及地球在银河系中的运动。
引力波也会拉伸和压缩我们和脉冲星之间的时空结构，扭曲它们原本非常规则的脉冲，扭曲时间从几十纳秒到五年甚至更长，导致闪光比正常时间提前或推迟到达。
在这项新研究中，揭示信号来源是超大质量黑洞的“关键证据”是一种独特的模式，这种模式是从银河系中近70毫秒脉冲星的星系大小的宇宙天线的脉冲到达时间中发现的，据一个名为北美纳赫兹引力波天文台(NANOGrav)的天文学家联盟称。科学家们说，来自黑洞双星的引力波信号重叠“就像人群中的声音”，并导致连续不断的嗡嗡声，作为一种独特的模式嵌入脉冲星计时数据中。
科学家通过观察成对脉冲星发出的灯塔般的光束提取了这种模式。他们使用各种射电望远镜，如现已倒塌的波多黎各阿雷西博天文台、西弗吉尼亚州的格林班克天文台、新墨西哥州的Karl G. Jansky甚大阵列和加拿大的加拿大氢强度绘图实验(CHIME ),在15年中每月收集这些脉冲的时间数据。然后，他们计算了脉冲的实际到达时间和预测到达时间之间的差异——科学家们说，他们可以在1微秒内估计出这一差异，相当于在千分之一毫米内测量到月球的距离。
泰勒说，备受追捧的引力波信号就隐藏在这些差异中。这是科学家首次为引力波背景下蚀刻的这种不一致模式找到令人信服的证据，早在1916年，爱因斯坦的广义相对论就预测了引力波对脉冲星闪光的影响。
“我们非常兴奋地看到这种模式终于出现了，”泰勒说。
NANOGrav的15年数据集中包含的银河系脉冲星位置图。蓝色的星星表示脉冲星，而中间的黄色星星代表地球的位置。(图片鸣谢:NANOGrav)
跨过最后的门槛
科学家们知道，当黑洞合并时，它们的引力与附近的恒星相互作用，这会耗尽黑洞的轨道能量，并使它们越来越接近成为单一黑洞的点。一个简单的模型表明，当黑洞之间的距离在3.2光年以内时，它们会通过辐射引力波来合并。然而，其他模型表明，黑洞跨越的时间尺度比宇宙本身更长，因为当它们到达3.2光年的标记时，它们会停止合并。
“科学家一度担心双星中的超大质量黑洞会永远围绕彼此旋转，永远不会靠近到足以产生这样的信号，”卢克·Zoltan·凯利在一份声明中说，他是加州大学伯克利分校的助理教授，也是NANOGrav合作的一部分。
因此，那些黑洞如何在超过那个距离后缩小它们的轨道并最终合并——被称为“最终秒差距问题”——还没有得到很好的理解。
“为了获得我们正在看到的这种高振幅类型，我们需要相当大的黑洞，它们需要非常频繁地形成双星并非常有效地演化，”凯利说。
他补充说，如果这一发现成功，并且被探测到的信号最终确实来自二元黑洞，“那么它们肯定以某种方式通过了最终的秒差距”。
关于引力波背景发现的四项独立研究已经发表在天体物理学杂志《快报》上，另外两项研究已经被《天体物理学杂志快报》接受，将在晚些时候发表。
