15年后，脉冲星计时产生了宇宙背景引力波的证据

何一方88

艺术家对一系列受到远处星系中超大质量黑洞双星产生的重力波纹影响的脉冲星的解释。鸣谢:Aurore Simonnet，NANOGrav合作

据加州大学伯克利分校（罗伯特·桑德斯）：宇宙在重力辐射中嗡嗡作响——一种非常低频的隆隆声，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个研究小组的结论，他们在6月份同时发表了一系列期刊文章，描述了对我们银河系角落内毫秒脉冲星超过15年的观察。至少有一个小组——北美纳赫兹引力波天文台(NANOGrav)合作——找到了令人信服的证据，证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。

“这是低频引力波的关键证据，”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。"经过多年的研究，纳米引力场正在打开一扇全新的引力波宇宙之窗。"

2015年，激光干涉仪引力波天文台(LIGO)首次探测到了引力波。时空中的短波长波动是由较小的黑洞或偶尔的中子星合并引起的，它们的重量都小于几百个太阳质量。

现在的问题是:长波长引力波——周期从几年到几十年——也是由黑洞产生的吗？

在NANOGrav联盟发表在加州大学伯克利分校天体物理学杂志《快报》上的一篇论文中，物理学家卢克·Zoltan·凯利和NANOGrav团队认为，这种嗡嗡声可能是由成千上万对超大质量黑洞产生的——每个黑洞的质量都是我们太阳的几十亿倍——在宇宙历史上，这些黑洞相互靠近，足以合并。

该团队模拟了包含数十亿个源的超大质量黑洞二元群体，并将预测的引力波信号与NANOGrav的最新观测结果进行了比较。

黑洞合并前的轨道舞蹈振动时空，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，今天这些引力波重叠在一起，就像一把鹅卵石扔进池塘后产生的涟漪，产生了背景声。因为这些引力波的波长是以光年计量的，所以探测它们需要一个星系大小的天线阵列——毫秒脉冲星的集合。

“我猜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。这无疑是我们最好的猜测，它与数据完全一致，但我们并不乐观，”加州大学伯克利分校天文学助理教授凯利说。“如果它是双星，那么这是我们第一次真正确认超大质量黑洞双星的存在，这是一个超过50年的巨大谜团。”

“我们看到的信号是来自三维空间和时间上的宇宙群体。加州大学伯克利分校天文和物理系的物理科学教授、NANOGrav合作组织的成员、天体物理学家马忠培说。

马指出，虽然天文学家已经利用无线电、光学和X射线观测确定了一些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，引导他们在天空中搜索电磁波，并对黑洞双星进行详细研究。

马指导了一个项目，研究离地球最近的100个超大质量黑洞，并渴望找到其中一个黑洞周围的活动证据，表明这是一对双星，以便NANOGrav可以调整脉冲星计时阵列，以探测那片天空中的引力波。超大质量黑洞双星在合并前可能会发出几百万年的引力波。

背景引力波的其他可能原因包括暗物质轴子，宇宙开始时留下的黑洞——所谓的原始黑洞——和宇宙弦。另一篇发表在《ApJ快报》上的NANOGrav论文对这些理论提出了限制。

“其他小组认为这来自宇宙膨胀或宇宙弦或其他种类的新物理过程，它们本身非常令人兴奋，但我们认为双星更有可能。然而，要真正能够确定地说这是来自双星，我们必须做的是测量引力波信号在天空中的变化程度。凯利说:“二进制文件应该比其他来源产生更大的变化。

“随着我们继续培养敏感度，现在才是真正开始认真工作和兴奋的时候。随着我们继续进行更好的测量，我们对超大质量黑洞双星群体的限制将会迅速变得越来越好。”

星系合并导致黑洞合并

大多数大型星系被认为在其中心有巨大的黑洞，尽管它们很难被探测到，因为它们发出的光——从X射线到恒星和气体落入黑洞时产生的无线电波——通常被周围的气体和尘埃阻挡。马最近分析了恒星围绕一个大星系M87中心的运动，并精确估计了它的质量——53.7亿倍于太阳的质量——尽管黑洞本身完全模糊不清。

诱人的是，M87中心的超大质量黑洞可能是一个二元黑洞。但是没有人确切知道。

“我对M87，甚至我们的银河系中心人马座A*的问题是:你能在我们一直在研究的主黑洞附近隐藏第二个黑洞吗？我认为目前没有人能排除这种可能性，”马说。“探测来自二元超大质量黑洞的引力波的确凿证据必须来自未来的研究，我们希望能够看到来自单一二元源的连续波探测。”

星系合并的模拟表明，二元超大质量黑洞是常见的，因为两个合并星系的中心黑洞应该朝着更大的合并星系的中心一起下沉。凯利说，这些黑洞将开始彼此围绕轨道运行，尽管NANOGrav可以检测到的波只有在它们非常接近时才会发出——大约是我们太阳系直径的10到100倍，或者是地球与太阳距离的1000到10000倍，即9300万英里。

但是，在合并的星系中，与气体和尘埃的相互作用会使黑洞向内螺旋靠近，从而使合并不可避免吗？

凯利说:“这是超大质量黑洞双星中最大的不确定性:你如何从星系合并后一直到它们真正合并的地方。”“星系合并将两个超大质量黑洞合在一起，达到大约一千秒差距——3200光年的距离，大致相当于一个星系的核心大小。但是，在它们能够真正产生引力波之前，它们需要将间距缩小五到六个数量级。”

“这两个可能只是停滞不前，”马指出。“我们称之为最后一个秒差距问题。如果你没有其他渠道来收缩它们，那么我们就不会期望看到引力波。”

但是NANOGrav的数据表明，大多数超大质量黑洞双星不会停滞。

“我们看到的引力波的振幅表明合并是非常有效的，这意味着大部分超大质量黑洞双星能够从这些大型星系合并尺度下降到非常非常小的亚秒尺度，”凯利说。

NANOGrav能够测量背景引力波，这要归功于毫秒脉冲星的存在，毫秒脉冲星是一种快速旋转的中子星，每秒钟将一束明亮的无线电波扫过地球数百次。由于未知的原因，它们的脉动率精确到十分之一毫秒以内。

当已故的加州大学伯克利分校天文学家唐纳德·贝克(Donald Backer)在1982年发现第一颗这样的毫秒脉冲星时，他很快意识到这些精密的闪光可以用来探测引力波产生的时空波动。他创造了“脉冲星计时阵列”这个术语来描述银河系中分散在我们周围的一组脉冲星，这些脉冲星可以用作探测器。

2007年，巴克是NANOGrav的创始人之一，该合作项目目前有来自美国和加拿大的190多名科学家参与。该计划是每月至少监测一次我们所在的银河系中的一组毫秒脉冲星，并在考虑运动的影响后，寻找脉冲率的相关变化，这些变化可能归因于穿过银河系的长波长引力波。凯利说，特定脉冲星信号到达时间的变化大约是百万分之一秒。

“只有统计上的一致变化才是引力波的真正标志，”他说。“你可以看到毫秒级、几十毫秒级的变化。这只是由于噪音过程。但你需要深入挖掘，观察这些相关性，以提取振幅约为100纳秒左右的信号。”

NANOGrav合作组织总共监测了68颗脉冲星，其中一些监测了15年，并在当前的分析中使用了67颗。该小组公开发布了他们的分析程序，欧洲(欧洲脉冲星计时阵列)、澳大利亚(巴夏礼脉冲星计时阵列)和中国(中国脉冲星计时阵列)的小组正在使用这些程序来关联NANOGrav使用的不同(尽管有时重叠)脉冲星组的信号。

凯利说，NANOGrav数据允许对宇宙历史上超大质量黑洞双星合并的数量进行其他几个推论。首先，信号的振幅意味着人口向更高的质量倾斜。虽然已知的超大质量黑洞最大质量约为200亿太阳质量，但许多创造背景的黑洞可能更大，甚至可能有400亿或600亿太阳质量。或者，可能有比我们想象的更多的超大质量黑洞双星。

“虽然观察到的引力波信号的振幅与我们的预期大体一致，但它肯定有点偏高，”他说。“所以我们需要一些相对巨大的超大质量黑洞的组合，这些黑洞的发生率非常高，它们可能需要能够非常有效地结合，才能产生我们看到的这些振幅。或者可能更像是质量比我们想象的大20%，但它们合并的效率是两倍，或者是一些参数的组合。”

随着更多年的观察获得更多数据，NANOGrav团队希望获得更多令人信服的证据，证明宇宙引力波背景以及产生它的原因，这可能是各种来源的组合。目前，天文学家对引力波天文学的前景感到兴奋。

“作为一种新工具，这非常令人兴奋，”马说。"这为超大质量黑洞的研究打开了一个全新的窗口."

NANOGrav的数据来自波多黎各阿雷西博天文台15年的观测，该设施于2020年倒塌并变得无法使用；西弗吉尼亚的绿岸望远镜；新墨西哥州的超大型阵列。未来的NANOGrav结果将纳入加拿大氢强度绘图实验(CHIME)射电望远镜的数据，该望远镜于2019年加入该项目。