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藝術(shù)家對(duì)一系列受到遠(yuǎn)處星系中超大質(zhì)量黑洞雙星產(chǎn)生的重力波紋影響的脈沖星的解釋。鳴謝:uux.cn/Aurore Simonnet，星計(jì)NANOGrav合作
（神秘的時(shí)產(chǎn)生宇地球uux.cn）據(jù)加州大學(xué)伯克利分校（羅伯特·桑德斯）：宇宙在重力輻射中嗡嗡作響——一種非常低頻的隆隆聲，有節(jié)奏地拉伸和壓縮時(shí)空以及嵌入其中的宙背物質(zhì)。
這是景引據(jù)來(lái)自世界各地的幾個(gè)研究小組的結(jié)論，他們?cè)?月份同時(shí)發(fā)表了一系列期刊文章，力波描述了對(duì)我們銀河系角落內(nèi)毫秒脈沖星超過(guò)15年5年后觀察。至少有一個(gè)小組——北美納赫茲引力波天文臺(tái)(NANOGrav)合作——找到了令人信服的脈沖證據(jù)，證明這些脈沖星的星計(jì)精確節(jié)奏受到這些長(zhǎng)波長(zhǎng)引力波對(duì)時(shí)空的拉伸和擠壓的影響。
“這是時(shí)產(chǎn)生宇低頻引力波的關(guān)鍵證據(jù)，”范德比爾特大學(xué)的宙背斯蒂芬·泰勒說(shuō)，他是景引據(jù)這項(xiàng)研究的共同領(lǐng)導(dǎo)者，也是力波該合作的現(xiàn)任主席。"經(jīng)過(guò)多年5年后研究，納米引力場(chǎng)正在打開(kāi)一扇全新的引力波宇宙之窗。"
2015年，激光干涉儀引力波天文臺(tái)(LIGO)首次探測(cè)到了引力波。時(shí)空中的短波長(zhǎng)波動(dòng)是由較小的黑洞或偶爾的中子星合并引起的，它們的重量都小于幾百個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。
現(xiàn)在的問(wèn)題是:長(zhǎng)波長(zhǎng)引力波——周期從幾年到幾十年——也是由黑洞產(chǎn)生的嗎？
在NANOGrav聯(lián)盟發(fā)表在加州大學(xué)伯克利分校天體物理學(xué)雜志《快報(bào)》上的一篇論文中，物理學(xué)家盧克·Zoltan·凱利和NANOGrav團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種嗡嗡聲可能是由成千上萬(wàn)對(duì)超大質(zhì)量黑洞產(chǎn)生的——每個(gè)黑洞的質(zhì)量都是我們太陽(yáng)的幾十億倍——在宇宙歷史上，這些黑洞相互靠近，足以合并。
該團(tuán)隊(duì)模擬了包含數(shù)十億個(gè)源的超大質(zhì)量黑洞二元群體，并將預(yù)測(cè)的引力波信號(hào)與NANOGrav的最新觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較。
黑洞合并前的軌道舞蹈振動(dòng)時(shí)空，類(lèi)似于華爾茲舞者有節(jié)奏地振動(dòng)舞池的方式。在宇宙138億年的歷史中，這種合并產(chǎn)生了引力波，今天這些引力波重疊在一起，就像一把鵝卵石扔進(jìn)池塘后產(chǎn)生的漣漪，產(chǎn)生了背景聲。因?yàn)檫@些引力波的波長(zhǎng)是以光年計(jì)量的，所以探測(cè)它們需要一個(gè)星系大小的天線(xiàn)陣列——毫秒脈沖星的集合。
“我猜房間里的大象是我們?nèi)匀徊荒?00%確定它是由超大質(zhì)量黑洞雙星產(chǎn)生的。這無(wú)疑是我們最好的猜測(cè)，它與數(shù)據(jù)完全一致，但我們并不樂(lè)觀，”加州大學(xué)伯克利分校天文學(xué)助理教授凱利說(shuō)。“如果它是雙星，那么這是我們第一次真正確認(rèn)超大質(zhì)量黑洞雙星的存在，這是一個(gè)超過(guò)50年的巨大謎團(tuán)。”
“我們看到的信號(hào)是來(lái)自三維空間和時(shí)間上的宇宙群體。加州大學(xué)伯克利分校天文和物理系的物理科學(xué)教授、NANOGrav合作組織的成員、天體物理學(xué)家馬忠培說(shuō)。
馬指出，雖然天文學(xué)家已經(jīng)利用無(wú)線(xiàn)電、光學(xué)和X射線(xiàn)觀測(cè)確定了一些可能的超大質(zhì)量黑洞雙星，但他們可以使用引力波作為新的警報(bào)器，引導(dǎo)他們?cè)谔炜罩兴阉麟姶挪ǎ?duì)黑洞雙星進(jìn)行詳細(xì)研究。
馬指導(dǎo)了一個(gè)項(xiàng)目，研究離地球最近的100個(gè)超大質(zhì)量黑洞，并渴望找到其中一個(gè)黑洞周?chē)幕顒?dòng)證據(jù)，表明這是一對(duì)雙星，以便NANOGrav可以調(diào)整脈沖星計(jì)時(shí)陣列，以探測(cè)那片天空中的引力波。超大質(zhì)量黑洞雙星在合并前可能會(huì)發(fā)出幾百萬(wàn)年的引力波。
背景引力波的其他可能原因包括暗物質(zhì)軸子，宇宙開(kāi)始時(shí)留下的黑洞——所謂的原始黑洞——和宇宙弦。另一篇發(fā)表在《ApJ快報(bào)》上的NANOGrav論文對(duì)這些理論提出了限制。
“其他小組認(rèn)為這來(lái)自宇宙膨脹或宇宙弦或其他種類(lèi)的新物理過(guò)程，它們本身非常令人興奮，但我們認(rèn)為雙星更有可能。然而，要真正能夠確定地說(shuō)這是來(lái)自雙星，我們必須做的是測(cè)量引力波信號(hào)在天空中的變化程度。凱利說(shuō):“二進(jìn)制文件應(yīng)該比其他來(lái)源產(chǎn)生更大的變化。
“隨著我們繼續(xù)培養(yǎng)敏感度，現(xiàn)在才是真正開(kāi)始認(rèn)真工作和興奮的時(shí)候。隨著我們繼續(xù)進(jìn)行更好的測(cè)量，我們對(duì)超大質(zhì)量黑洞雙星群體的限制將會(huì)迅速變得越來(lái)越好。”
星系合并導(dǎo)致黑洞合并
大多數(shù)大型星系被認(rèn)為在其中心有巨大的黑洞，盡管它們很難被探測(cè)到，因?yàn)樗鼈儼l(fā)出的光——從X射線(xiàn)到恒星和氣體落入黑洞時(shí)產(chǎn)生的無(wú)線(xiàn)電波——通常被周?chē)臍怏w和塵埃阻擋。馬最近分析了恒星圍繞一個(gè)大星系M87中心的運(yùn)動(dòng)，并精確估計(jì)了它的質(zhì)量——53.7億倍于太陽(yáng)的質(zhì)量——盡管黑洞本身完全模糊不清。
誘人的是，M87中心的超大質(zhì)量黑洞可能是一個(gè)二元黑洞。但是沒(méi)有人確切知道。
“我對(duì)M87，甚至我們的銀河系中心人馬座A*的問(wèn)題是:你能在我們一直在研究的主黑洞附近隱藏第二個(gè)黑洞嗎？我認(rèn)為目前沒(méi)有人能排除這種可能性，”馬說(shuō)。“探測(cè)來(lái)自二元超大質(zhì)量黑洞的引力波的確鑿證據(jù)必須來(lái)自未來(lái)的研究，我們希望能夠看到來(lái)自單一二元源的連續(xù)波探測(cè)。”
星系合并的模擬表明，二元超大質(zhì)量黑洞是常見(jiàn)的，因?yàn)閮蓚€(gè)合并星系的中心黑洞應(yīng)該朝著更大的合并星系的中心一起下沉。凱利說(shuō)，這些黑洞將開(kāi)始彼此圍繞軌道運(yùn)行，盡管NANOGrav可以檢測(cè)到的波只有在它們非常接近時(shí)才會(huì)發(fā)出——大約是我們太陽(yáng)系直徑的10到100倍，或者是地球與太陽(yáng)距離的1000到10000倍，即9300萬(wàn)英里。
但是，在合并的星系中，與氣體和塵埃的相互作用會(huì)使黑洞向內(nèi)螺旋靠近，從而使合并不可避免嗎？
凱利說(shuō):“這是超大質(zhì)量黑洞雙星中最大的不確定性:你如何從星系合并后一直到它們真正合并的地方。”“星系合并將兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞合在一起，達(dá)到大約一千秒差距——3200光年的距離，大致相當(dāng)于一個(gè)星系的核心大小。但是，在它們能夠真正產(chǎn)生引力波之前，它們需要將間距縮小五到六個(gè)數(shù)量級(jí)。”
“這兩個(gè)可能只是停滯不前，”馬指出。“我們稱(chēng)之為最后一個(gè)秒差距問(wèn)題。如果你沒(méi)有其他渠道來(lái)收縮它們，那么我們就不會(huì)期望看到引力波。”
但是NANOGrav的數(shù)據(jù)表明，大多數(shù)超大質(zhì)量黑洞雙星不會(huì)停滯。
“我們看到的引力波的振幅表明合并是非常有效的，這意味著大部分超大質(zhì)量黑洞雙星能夠從這些大型星系合并尺度下降到非常非常小的亞秒尺度，”凱利說(shuō)。
NANOGrav能夠測(cè)量背景引力波，這要?dú)w功于毫秒脈沖星的存在，毫秒脈沖星是一種快速旋轉(zhuǎn)的中子星，每秒鐘將一束明亮的無(wú)線(xiàn)電波掃過(guò)地球數(shù)百次。由于未知的原因，它們的脈動(dòng)率精確到十分之一毫秒以?xún)?nèi)。
當(dāng)已故的加州大學(xué)伯克利分校天文學(xué)家唐納德·貝克(Donald Backer)在1982年發(fā)現(xiàn)第一顆這樣的毫秒脈沖星時(shí)，他很快意識(shí)到這些精密的閃光可以用來(lái)探測(cè)引力波產(chǎn)生的時(shí)空波動(dòng)。他創(chuàng)造了“脈沖星計(jì)時(shí)陣列”這個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)描述銀河系中分散在我們周?chē)囊唤M脈沖星，這些脈沖星可以用作探測(cè)器。
2007年，巴克是NANOGrav的創(chuàng)始人之一，該合作項(xiàng)目目前有來(lái)自美國(guó)和加拿大的190多名科學(xué)家參與。該計(jì)劃是每月至少監(jiān)測(cè)一次我們所在的銀河系中的一組毫秒脈沖星，并在考慮運(yùn)動(dòng)的影響后，尋找脈沖率的相關(guān)變化，這些變化可能歸因于穿過(guò)銀河系的長(zhǎng)波長(zhǎng)引力波。凱利說(shuō)，特定脈沖星信號(hào)到達(dá)時(shí)間的變化大約是百萬(wàn)分之一秒。
“只有統(tǒng)計(jì)上的一致變化才是引力波的真正標(biāo)志，”他說(shuō)。“你可以看到毫秒級(jí)、幾十毫秒級(jí)的變化。這只是由于噪音過(guò)程。但你需要深入挖掘，觀察這些相關(guān)性，以提取振幅約為100納秒左右的信號(hào)。”
NANOGrav合作組織總共監(jiān)測(cè)了68顆脈沖星，其中一些監(jiān)測(cè)了15年，并在當(dāng)前的分析中使用了67顆。該小組公開(kāi)發(fā)布了他們的分析程序，歐洲(歐洲脈沖星計(jì)時(shí)陣列)、澳大利亞(巴夏禮脈沖星計(jì)時(shí)陣列)和中國(guó)(中國(guó)脈沖星計(jì)時(shí)陣列)的小組正在使用這些程序來(lái)關(guān)聯(lián)NANOGrav使用的不同(盡管有時(shí)重疊)脈沖星組的信號(hào)。
凱利說(shuō)，NANOGrav數(shù)據(jù)允許對(duì)宇宙歷史上超大質(zhì)量黑洞雙星合并的數(shù)量進(jìn)行其他幾個(gè)推論。首先，信號(hào)的振幅意味著人口向更高的質(zhì)量?jī)A斜。雖然已知的超大質(zhì)量黑洞最大質(zhì)量約為200億太陽(yáng)質(zhì)量，但許多創(chuàng)造背景的黑洞可能更大，甚至可能有400億或600億太陽(yáng)質(zhì)量。或者，可能有比我們想象的更多的超大質(zhì)量黑洞雙星。
“雖然觀察到的引力波信號(hào)的振幅與我們的預(yù)期大體一致，但它肯定有點(diǎn)偏高，”他說(shuō)。“所以我們需要一些相對(duì)巨大的超大質(zhì)量黑洞的組合，這些黑洞的發(fā)生率非常高，它們可能需要能夠非常有效地結(jié)合，才能產(chǎn)生我們看到的這些振幅。或者可能更像是質(zhì)量比我們想象的大20%，但它們合并的效率是兩倍，或者是一些參數(shù)的組合。”
隨著更多年的觀察獲得更多數(shù)據(jù)，NANOGrav團(tuán)隊(duì)希望獲得更多令人信服的證據(jù)，證明宇宙引力波背景以及產(chǎn)生它的原因，這可能是各種來(lái)源的組合。目前，天文學(xué)家對(duì)引力波天文學(xué)的前景感到興奮。
“作為一種新工具，這非常令人興奮，”馬說(shuō)。"這為超大質(zhì)量黑洞的研究打開(kāi)了一個(gè)全新的窗口."
NANOGrav的數(shù)據(jù)來(lái)自波多黎各阿雷西博天文臺(tái)15年的觀測(cè)，該設(shè)施于2020年倒塌并變得無(wú)法使用；西弗吉尼亞的綠岸望遠(yuǎn)鏡；新墨西哥州的超大型陣列。未來(lái)的NANOGrav結(jié)果將納入加拿大氫強(qiáng)度繪圖實(shí)驗(yàn)(CHIME)射電望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，該望遠(yuǎn)鏡于2019年加入該項(xiàng)目。