宇宙在引力波中嗡嗡作响，为什么科学家对这一发现如此兴奋
遍布太空的亮点发出网格状图案(图片来源:Aurore Simonnet，NANOGrav合作组织)
（神秘的地球uux.cn）据美国太空网（罗伯特·李）：宇宙的结构在它最早的时代就充满了引力波，研究人员终于“听到”了这首宇宙交响曲。
6月28日星期四，北美纳赫兹引力波天文台(NANOGrav)发现了低频引力波，这是一项历史性的突破，代表了15年的搜索。然而，这并不是人类第一次探测到引力波。自2015年以来，科学家们一直在使用激光干涉仪引力波天文台(LIGO)等设施检测空间结构中的这些波纹。
因此，考虑到这一点，为什么这不是另一个无可争议的令人印象深刻的对引力波的探测呢？答案都是关于三个相互联系的性质:引力波的频率、波长和周期，以及这些告诉科学家关于首次将它们发送到空间的物体和事件的信息。
什么是引力波？
阿尔伯特·爱因斯坦1915年的引力理论，广义相对论，预测有质量的物体对空间和时间的结构有扭曲效应——统一为“时空”——引力源于这种扭曲。广义相对论还提出，当物体加速时，它们应该在时空中产生波纹，这是一种我们称之为引力波的重力辐射。当加速度涉及到超大质量黑洞和中子星这样的大质量物体时，这种效应变得非常显著。
引力波，像电磁辐射一样，在一个频率范围内，高频引力波，像高频光，波长更短，能量更大，而低频引力波波长更长，能量更小。低频长波引力波也有很长的周期，即从一个波峰经过一个设定点到下一个波峰经过该点所需的时间。
并非所有的引力波都是平等的
6月28日宣布的发现标志着首次探测到低频引力波。这些低频引力波的来源被认为是非常早期宇宙中的超大质量黑洞双星。从管弦乐队的角度来考虑这个问题。LIGO可以听到像碰撞和合并这样的暴力事件发出的戏剧性的单一“撞击”声。NANOGrav听到的低频引力波信号类似于小提琴柔和的背景和声。
这个信号的强度表明早期宇宙中存在一个数十万甚至数百万颗超大质量黑洞双星的引力波管弦乐团。
“这一发现为引力宇宙打开了一个新的低频窗口，让我们能够研究星系及其中央黑洞如何随时间合并和增长，”国家射电天文台(NRAO)天文学家Scott Ransom告诉Space.com，他是NANOGrav的大约190名科学家之一。
当黑洞和中子星相互旋转时，它们会产生持续稳定的低频引力波流，有效地导致时空像轻轻敲响的钟一样响起。当它们被发射时，引力波带走了角动量(自旋)，这导致黑洞聚集在一起。
轨道运行的物体越近，它们发射引力波的速度越快，这种重力辐射的频率就变得越高；此外，它们离得越近，失去角动量的速度就越快，它们会越快地螺旋在一起，直到碰撞合并。这种猛烈的碰撞发出了一股高频引力波，穿过太空。
此外，对于这些时空中微弱的涟漪，也有更奇特的可能解释。这个信号的一部分可能是甚至早于这些早期黑洞对的引力波背景，来自大爆炸和宇宙本身的起源。
一位艺术家描绘了碰撞的黑洞在时空结构中引起的涟漪。(图片来源:赫特/加州理工学院JPL分校)
为什么纳米格拉夫能做到LIGO和丽莎做不到的事情(反之亦然)
就像需要不同的望远镜才能看到电磁波谱中不同频率的光一样，需要不同的引力波探测器才能“听到”这种基于重力的辐射光谱的不同频率。
像LIGO这样的设施已经非常成功地探测到了由黑洞、中子星甚至两者之间的混合合并引起的较高频率的引力波，但较低频率的引力波一直难以探测。
这是因为引力波的影响已经很小了，NANOGrav估计引力波对时空的影响小到大约十亿分之一！
尽管它很敏感，LIGO和它的地基引力波观测站不能接收低频引力波。即使是即将到来的太空引力波探测器，激光干涉仪空间天线(LISA)也无法接收信号。
LIGO和其他地面探测器可以听到波长约几千英里的引力波，大约有地球那么大，周期从毫秒到秒不等。LISA将覆盖数百万到数十亿英里的波长；想想地球到太阳的距离或者地球到冥王星的距离。这些引力波的周期从几秒到几小时不等。
NANOGrav被设计用来听到的引力波频率为纳赫兹，波长为万亿英里，长度为光年。根据NANOGrav的说法，这些纳赫兹的引力波可以有几个月、几年甚至几十年的周期。
为了进行这种探测，天文学家需要一个整个星系大小的引力波天线，以及一种由“宇宙时钟”网络组成的极其精确的测量时间的方法。这就是纳米格拉夫的用武之地。
LIGO汉福德天文台鸟瞰图。(图片来源:公共领域/LIGO汉福德天文台)
NanoGrav是如何拾取低频波的？
通过三个射电天文台，现已被摧毁的波多黎各阿雷西博天文台，西弗吉尼亚州的绿岸望远镜和新墨西哥州的甚大阵列，NanoGrav将银河系内的68颗脉冲星变成了一个巨大的引力波天线，其大小相当于整个银河系。这种独特而敏感的引力波探测器被称为脉冲星计时阵列。
像所有中子星一样，脉冲星是在大质量恒星耗尽其核聚变燃料时形成的，这一过程中产生的能量向外“推动”停止。这导致这些恒星的核心在自身重力下坍塌，外层在超新星爆炸中被炸掉。
恒星核心的宽度收缩到如此程度，以至于中子星的质量大约是太阳的两倍，塞进了一个不比地球上普通城市宽的物体中。由于角动量守恒，直径的减小还会导致恒星残骸的旋转“加速”，有些中子星的旋转速度高达每秒700次！想象一下，这就像一个花样滑冰运动员用手臂来增加旋转，只是规模完全不同！
艺术家对脉冲星的描绘。(图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心)
恒星核心的坍缩还有另一个后果；原恒星的磁场也被压扁了。当磁力线更紧密地挤在一起时，就会增加它们所包含的磁场强度。
因此，中子星拥有已知宇宙中最强大的磁场。这些磁场将粒子引导到脉冲星的两极，在那里它们以接近光速的速度从每一极喷出。脉冲星看起来“时开时关”地闪烁——这就是为什么天文学家最初认为它们是脉冲恒星——但这是这些喷流产生的光以令人难以置信的精确规则间隔转向我们的结果。这意味着脉冲星可以被用作一种优秀的计时设备。
当引力波冲刷时空时，时空的压缩和拉伸应该会对脉冲星的计时产生明显的影响，当它们经过时，要么使它们减速，要么使它们加速。这使得来自这些脉冲星的光的到达时间有非常微小的差异。由于这种影响很小，脉冲星计时阵列需要由许多分散的脉冲星组成，这些脉冲星需要被监测多年。
对于NANOGrav来说，耐心现在得到了回报，脉冲星上的这种效应现在揭示了低频信号引力波的迹象。
“基本上，地球是在光年长度的引力波上摆动的——一点点，”兰森说。“我们已经使用散布在我们银河系周围的近70毫秒脉冲星阵列看到了这一点。”
这一发现之所以重要，是因为我们现在已经探测到了来自以前没有研究过的来源的引力波。它揭示了早期宇宙充满了超大质量黑洞双星。
这个问题是因为尽管科学家们现在知道大多数，如果不是全部，星系的中心有一个超大质量黑洞，他们还不确定这些宇宙巨人是如何成长的。一个建议的机制是随后越来越大的黑洞双星对之间的一系列合并。
这种低频引力波信号暗示了一种方式，可以理解这种方式如何在早期宇宙中进行，导致一些超大质量黑洞，其质量是太阳的数百万甚至数十亿倍。
此外，因为这些黑洞很可能被送入死亡的螺旋舞蹈中，导致它们通过星系的碰撞而合并，对这种黑洞双星合并过程的更好理解意味着对星系如何增长和宇宙作为一个整体如何演变的更好理解。
银河系大小的脉冲星计时阵列获得的引力波信号的一小部分也有可能来自大爆炸期间时间之初产生的引力波，其波长范围从银河系大小(约10万光年)到室女座超星系团大小(约1亿光年)。
“这太令人兴奋了。NANOGrav报告的证据再次表明，引力波观测为宇宙打开了一个全新的窗口，”宇宙学家、霍金的长期合作者托马斯·赫托格告诉Space，他没有参与这项研究。“在未来的几年或几十年里，我们将通过倾听穿过我们星球的引力波的嗡嗡声，来非常详细地拼凑整个宇宙的历史。真是激动人心的时刻！”
关于未来，Ransom解释了NANOGrav现在将如何在北半球寻找一个敏感的射电望远镜，以取代2020年12月倒塌的阿雷西博望远镜。在找到之前，这项合作将把数据与其他脉冲星计时阵列进行比较，以确定低频引力波信号的来源。
“随着持续的观察，我们应该开始将单个源视为这个引力波背景之上的纯音。这些来源也可以用电磁波来确定和研究——一种新型的河外多信使天文学，”兰森总结道。“我对这一发展感到非常兴奋！我们在这方面已经努力了超过15年，我不是一个很有耐心的人！”
