超大质量黑洞可能解开我们宇宙的引力波“嗡嗡”之谜

熊明青

穿越时空的重力波和发射它们的超大质量黑洞双星的图解。(图片来源:Aurore Simonnet，NANOGrav合作组织)

据美国太空网（罗伯特·李）：今年早些时候，经过15年的搜索，科学家们终于听到了充满我们宇宙的低频引力波的背景嗡嗡声。现在，搜寻这些时空涟漪源头的艰苦工作可以开始了。

目前，这种情况下的主要嫌疑人是超大质量黑洞对，其质量是太阳的数百万倍，甚至数十亿倍。然而，这并不意味着没有空间给一些不寻常的嫌疑人，这可能会潜在地将我们引向新的物理学。

这项突破是由北美纳赫兹引力波天文台(NANOGrav)合作的研究人员取得的，他们分析了68颗快速旋转的中子星，也称为脉冲星，它们以固定的间隔扫过地球。这种活动可以让脉冲星变成一个非常精确的宇宙时钟，称为“脉冲星计时阵列”。

当引力波在宇宙中波动时，它们会导致空间和时间，或者时空的结构被挤压。围绕这一效应的数据可以与这些脉冲星计时阵列结合起来，最终创建一个可检测的信号或“光谱”，供科学家研究。

然而，这并不是第一次探测到引力波。从2015年开始，激光干涉仪引力波天文台(LIGO)已经进行了早期的识别，但问题是，这些识别涉及来自不同来源的更高频率、更短波长的引力波，如恒星质量黑洞。

“NANOGrav探测到的这些引力波的最大区别在于波长。这些引力波要长得多，”国家射电天文台(NRAO)天文学家、NANOGrav前任主席Scott Ransom告诉Space.com。

兰森还将这种差异与我们熟悉的电磁频率现象进行了比较:“如果你从电磁频谱的角度来考虑，纳米格拉夫就像射电天文学，而LIGO就像X射线天文学。”



一张图说明了引力波光谱和在时空中搜寻这些波纹所需的探测器。(图片鸣谢:NASA戈达德太空飞行中心)

这两种引力波在波长频率上的差异是巨大的。

从这个角度来看，LIGO探测到的引力波表现出数千英里(或千米)长的波长和毫秒到秒的频率。相比之下，NANOGrav探测到的新引力波的波长在万亿英里(或千米)的范围内。这与太阳和其邻近恒星比邻星之间的距离相似，比邻星的长度惊人地达到20光年。另外，纳米重力波长的频率是几年而不是几秒。

实际上，这意味着科学家需要建立超过15年的NANOGrav数据来确认低频引力波检测。但是，当它发生时，等待是值得的。

这是因为这些结果有能力向我们指出关于我们宇宙的新信息。

“脉冲星计时阵列实验肯定是长期实验，你必须非常耐心，因为我们的信号会随着时间慢慢增长，”兰森说。“低频引力波的探测意味着它们来自非常不同的来源，与LIGO和室女座的来源不同，后者是恒星质量黑洞和中子星合并。”

主要怀疑对象:超大质量黑洞双星

Ransom是研究人员合作的一部分，他们认为低频引力波，包括NANOGrav探测到的引力波，可能来自一个非常不可思议的来源。该团队认为，它们可能来自成千上万的超大质量黑洞配对，在138亿年的宇宙历史进程中，它们足够接近，以至于合并在一起。

兰森解释说，引力波将来自超大质量黑洞配对，因为这些物体彼此围绕轨道运行了几十万年。但是他说，当电波从黑洞中窃取了足够的角动量，导致后者合并时，这种电波发射总有一天会停止。

兰森说:“那时他们正在释放这些巨大的重力波，并失去能量，最终他们将会相撞。”“但我们不知道有多少这样的超大质量黑洞双星，我们也不知道它们有多大，所有这些都决定了你何时才能最终探测到引力波。”



一幅插图显示了超大质量黑洞相互围绕旋转，使得时空被重力波环绕。(图片来源:美国宇航局/JPL加州理工学院/SwRI/MSSS/克里斯托弗·戈)

该小组的发现与科学家长期以来期望发现的超大质量黑洞双星相吻合。

“几十年来，理论家们一直假设超大质量黑洞双星应该产生一种信号，其特征就像NANOGrav和其他脉冲星计时阵列所看到的一样，”西北大学理论天体物理学家兼NANOGrav研究员卢克·Zoltan·凯利告诉Space.com。“对于大多数人来说，超大质量黑洞双星是产生引力波背景的自然最佳猜测。”

不过，这并不意味着它已经“结案”了。研究人员需要更多的间接证据来指出宇宙中存在超大质量黑洞双星这样的重大事件。

“双星面临的挑战是，以前没有超大质量黑洞双星的例子被完全证实，所以我们实际上不能确定这些不可思议的物体是否存在，”Zoltan·凯利说。“也就是说，如果它们不存在，那将是一个更大的谜，因为我们知道星系包含超大质量黑洞，我们知道星系合并是它们进化的正常部分。”

让这个宇宙之谜更加复杂的是，事实上还有其他团队在考虑低频引力波发射器的更奇特的嫌疑人。

(不同寻常的)嫌疑人

Zoltan·凯利向Space.com指出，除了双星之外，在宇宙学和粒子物理学中还有许多新的模型，在适当的情况下，也可以产生类似于NANOGrav探测到的引力波背景。

“例如，轴子或‘模糊’暗物质、宇宙弦、膨胀相变和许多其他东西，”西北大学天体物理学家说。“这些可能性真正令人兴奋的是，这些模型中的每一个都试图解释我们宇宙中一些最大的谜团。”

其中包括暗物质的性质——一种占宇宙“物质”约85%的物质形式，但由于它不与光相互作用，实际上仍然不可见——以及大爆炸后导致宇宙膨胀再次加速的之谜。

“在我看来，这是双赢。如果背景是宇宙学的，它将彻底改变我们对宇宙和基础物理学的理解——这可能是科学史上最大的发现之一，”Zoltan·凯利继续说道。“相反，如果背景来自无聊的古老超大质量黑洞双星，那么我们就可以探索宇宙中最大质量的物体是如何形成对并螺旋在一起，同时释放出比大多数整个星系在其一生中更多的能量。”

幸运的是，有一种方法可以让科学家们确认这些引力波的来源，特别是如果引力波在天空中有一个优选的方向，这意味着它们从一个方向来的更强更亮。

“下一步是确定这些引力波来自哪里，”Zoltan·凯利说。“我们认为我们可以通过绘制天空不同部分振幅的差异来做到这一点。如果双星产生了背景，那么我们希望能够看到天空不同部分的亮度差异，而如果来源是宇宙学的——比如宇宙弦或相变——那么引力波背景应该在整个天空中几乎完全一致。”

西北大学的天体物理学家补充说，该团队也很高兴能够通过可能探测到最初聚集在一起形成这种引力波背景的单个黑洞来进一步开展这项研究。

“这将是一个难以置信的机会，利用传统的电磁望远镜找到这些来源，”Zoltan凯利补充说。“我们正在非常努力地工作，以找出哪些类型的电磁信号将暗示活跃的星系核(AGN)或类星体中存在二元黑洞，以便我们可以开始搜索它们。”

即使在NANOGrav研究人员最终确定低频引力波的来源之前，仅仅探测到两种不同的时空波动就已经令人震惊了。尤其令人震惊的是，在1915年的引力广义相对论中首次预测到引力波的阿尔伯特·爱因斯坦也预测到，时空中的这些涟漪会太微弱，人类永远无法探测到。

“我认为令人惊讶的是，天文学技术和研究的发展水平如此之高，以至于在十年内，我们打开了引力波宇宙的两个完全独立的窗口，”兰森总结道。

NANOGrav对低频引力波长达15年的搜索细节在8月1日发表在《天体物理学杂志快报》上的一篇论文中披露。