新研究进一步缩小了对难以捉摸的巨型黑洞对的搜索范围

尽管天体物理学家从未探测到超大质量黑洞双星系统，但一个由死星组成的星系大小的探测器正在紧追不舍。

在西北大学领导的一项新研究中，天体物理学家对来自45颗死星(称为脉冲星)的12.5年数据进行了处理，以对巨型黑洞对发出的引力波特征设定迄今为止的最佳限制。了解这些限制将有助于天体物理学家限制附近宇宙中存在的双星数量，确认或否认现有的双星候选者，并有朝一日检测来自这些复杂对的引力波。

在另一项突破中，该研究还发现，在寻找成对的超大质量黑洞时，研究人员需要考虑宇宙中所有超大质量黑洞双星的引力波交响乐所发出的背景噪音的稳定嗡嗡声。

这项名为“NANOGrav12.5年数据集：来自单个超大质量黑洞双星的引力波的贝叶斯极限”的研究被《天体物理学杂志快报》接受，并将于今年夏天发表。它目前发布在arXiv预印本服务器上。

“我们真的认为通过引力波探测超大质量黑洞双星指日可待，”领导这项研究的西北大学的凯特琳维特说。

“对于许多科学领域来说，这将是一个重要的发现。它将使我们能够进行进一步的实验，例如测试引力，以探索超大质量黑洞双星是否按照我们认为的方式演化，并将教会我们如何在未来寻找它们调查。我们也将能够回顾宇宙时间并追溯我们所生活的宇宙的历史。

Witt是西北大学天体物理学跨学科探索与研究中心(CIERA)和阿德勒天文馆的首任CIERA-Adler博士后研究员。

太大而无法检测

超大质量黑洞位于大多数星系的中心，其质量可能是太阳的数十亿倍。与比我们的太阳大10到100倍的典型恒星质量黑洞相比，超大质量黑洞是深不可测的巨大。

当两个星系——每个星系都有一个中央超大质量黑洞——合并在一起时，它可以创建一个由这些巨大黑洞组成的双星系统。

“总有一天，我们的星系将与仙女座星系相撞，”维特说。“数百万年后，黑洞最终找到彼此，形成了一个小伙伴系统。从这样的系统中检测引力波将有助于我们了解星系如何相互作用以及宇宙如何演化。”

2016年，由西北大学教授VickyKalogera共同领导的国际团队使用激光干涉仪引力波天文台(LIGO)首次探测到两个恒星质量黑洞合并产生的引力波，这导致了明显的、短暂的波纹在时空中。但是超大质量黑洞双星太大而且相距太远，LIGO这样的地球设备无法探测到。

这些怪兽对产生的波很长，以至于它们的引力波可能需要数年甚至数十年的时间才能完全冲刷地球。即使美国国家航空航天局和欧洲航天局在2030年代初发射LISA(西北大学教授沙恩·拉尔森是联合首席研究员的天基引力波探测器)，它仍然无法探测到如此巨大的引力波。

“LIGO只能检测适合其手臂的波长，”Witt说。“我们必须寻找低得多的波频率。我们对可能需要一个月甚至长达15年才能相互绕行的超大质量黑洞对很敏感。因此，我们正在寻找一个稳定的信号，可以融入背景。”

脉冲星像时钟一样滴答作响

为了克服这一障碍，研究人员的国际合作建立了北美纳赫兹引力波天文台(NANOGrav)，该天文台使用脉冲星寻找引力波，脉冲星是一种快速旋转的中子星，诞生于最后一颗大质量恒星的超新星爆炸中它的生命。就像灯塔一样，脉冲星发出的光束在旋转时闪烁。

“因为脉冲星旋转得如此稳定，我们能看到像时钟一样滴答作响的小闪光，”维特说。“我们用地面射电望远镜观察那束光。如果时钟滴答声来得早一点或晚一点，这表明它可能受到了引力波的影响。”

NANOGrav跟踪了75颗脉冲星——其中45颗用于本研究——遍布整个夜空。它们的光束仅需几毫秒就可以掠过地球。因此，在这种情况下，“早一点或晚一点”可能意味着几分之一纳秒。因此，NANOGrav的技术必须非常灵敏才能捕捉到这些几乎无法察觉的变化。

通过观察整个天空，Witt和NANOGrav团队一起搜索所有脉冲星的特定模式。根据理论，超大质量黑洞双星应该发射引力波，在前往地球的途中真正拉伸和挤压(或应变)时空。扭曲的时空会影响脉冲星的光束，从而表明存在一对难以捉摸的巨型黑洞。

“红色噪音可以欺骗我们”

但是，当然，脉冲星也会产生自己的噪音，这会使信号变得混乱。

“脉冲星确实有一些被称为‘红噪声’的固有噪声，”维特说。“它们的内部可能会慢慢地晃动一点，除非你像我们一样仔细观察，否则你是看不到的。那个红色的噪音看起来很像我们正在寻找的宽广的引力波噪音。我们必须把它分开。”

去年，NANOGrav团队发表了一项研究，发现所有脉冲星中的红噪声过程具有相同的共同特征。然而，在没有更多证据的情况下，NANOGrav无法将其归因于引力波。在这项新研究中，维特和她的团队发现，为了明确检测来自单个超大质量黑洞双星的引力波，仍必须仔细考虑这种红色噪声。

“当引力波变得可探测时，乍一看它与红色噪音非常相似，”维特说。“红色噪音可以欺骗我们。我们的新研究告诉我们，我们必须仔细观察以避免混淆。当我们最终检测到引力波时，这一点很重要。”

尽管NANOGrav尚未探测到具有引力波的超大质量黑洞双星，但Witt的新论文使该领域比以往任何时候都更加接近。通过利用12.5年的数据集，研究人员创建了新模型来准确解释脉冲星数据中的不确定性，并实施新技术来解释红噪声。

确认候选人

这些新模型对超大质量黑洞对发出的引力波强度提供了迄今为止最严格的限制。此前，其他研究人员使用基于光的望远镜发现了潜在的超大质量黑洞双星。NANOGrav最终可以确认这些潜在的候选者确实是超大质量黑洞双星。

“通过我们的新方法，我们或许能够更快地确认这一点，”维特说。“或者，如果我们继续收集和分析数据，那么我们也许可以将它排除在外。这可能只是银河系中发生的其他奇怪事情。”