天体物理学合作发现引力波的合唱

这些发现发表在四篇论文集中，由来自NANOGrav物理前沿中心的研究人员撰写，该中心由俄勒冈州立大学理学院物理学教授泽维尔·西门子共同领导。

引力波的振荡以数年和数十年为单位进行测量，其证据本周发表在《天体物理学杂志快报》上。

西门子表示：“在不断追求增进人类知识和理解的过程中，这是这一过程中非常重要的一步。”

NANOGrav是北美纳赫兹引力波观测站的缩写，是由近200名天体物理学研究人员组成的国际合作项目，其任务是利用射电脉冲星授时来搜索低频引力波。

俄勒冈州立大学天体物理学家JeffHazboun表示，像NANOGrav所做的那样，探测低频引力波的“合唱”是解开宇宙结构形成之谜的关键。

“我们已经为引力波开辟了这个新的频谱区域，”哈兹本说。“我们已经看到了来自频谱完全不同部分的低频波，这告诉我们它们是一种无处不在的物理现象，我们可以在任何地方寻找它们。”

2015年，激光干涉仪引力波天文台(LIGO)首次观测到引力波。

这些频率约为每秒100个周期的波的发现是物理学和天文学中的一个里程碑事件。它证实了爱因斯坦相对论的主要预测之一，并为LIGO的创始人赢得了诺贝尔物理学奖。

脉冲星是超新星爆炸后快速旋转的大质量恒星的残骸。它们以极其规律的方式发出无线电波脉冲，其中一组被称为脉冲星计时阵列(PTA)。

西门子表示，六十八颗脉冲星被用来收集银河系被低频引力波海洋淹没的证据。

爱因斯坦1915年的广义相对论预测了引力波如何影响脉冲星信号：通过拉伸和挤压时空结构，引力波应该以可预测的方式改变每个脉冲的时间，延迟一些脉冲，同时加速其他脉冲。

“NANOGrav分析中使用的大量脉冲星使我们能够看到广义相对论预测的相关模式的第一个迹象，”西门子说。“我们可以利用这些脉冲星作为遍布天空的时钟，我们可以看到时钟的滴答声如何随着穿过银河系的引力波而变化。”

NANOGrav成立于2007年，八年后作为物理前沿中心成立，当时西门子还在威斯康星大学密尔沃基分校工作，获得了国家科学基金会1,450万美元的资助。

西门子于2019年加入OSU，两年后，NSF额外授予NANOGrav5年1700万美元的资金，用于利用西弗吉尼亚州的格林班克望远镜、新墨西哥州的甚大望远镜和波多黎各的阿雷西博天文台寻找引力波信号。

西门子表示，俄勒冈州立大学每年收到约60万美元的NANOGrav资金，除了项目领导和管理外，数据分析是俄勒冈州立大学的主要职责。

NANOGrav由西弗吉尼亚大学天文学家MauraMcLaughlin联合领导，结合了18所大学研究人员的努力，其中包括俄勒冈州立大学约20名研究生和本科生。

“寻找引力波就像拼拼图：每个人都有自己的拼图，但它们都拼在一起，”本德大学应用物理和核工程专业的大四学生菲亚·莫顿说。“科学突破来自孤独的天才，这是一种常见的误解。相反，大型科学项目需要大量的合作，并且每个参与者都相信团队的目标。”

莫顿和其他俄勒冈州立大学本科生通过寻找新的脉冲星并将其添加到NANOGrav阵列中来做出贡献;她解释说，可用的脉冲星越多，引力波探测就越灵敏。

“脉冲星实际上是非常微弱的射电源，因此我们每年需要在世界上最大的望远镜上花费数千小时来进行这项实验，”麦克劳克林说。“这些结果是通过国家科学基金会对这些异常敏感的射电天文台的持续承诺而得以实现的。”

LIGO(也是美国国家科学基金会资助的国际合作项目)的研究人员于2015年使用位于路易斯安那州利文斯顿和华盛顿州汉福德的双LIGO干涉仪探测到了两个黑洞碰撞产生的引力波。

Hazboun说，LIGO可以观测到由这些类型的“黑洞双星”产生的引力波，其频率约为100赫兹。

“NANOgrav搜索的引力波频率比LIGO检测到的频率低11个数量级，”他说。

西门子解释说，使用PTA来探测来自多个超大质量黑洞合并的引力波信号(被描述为引力波的随机背景)比探测来自单个黑洞双星的单个波更有希望了解宇宙碰撞。

“每个信号就像一个音符，我们不只是追求其中一个音符-我们希望听到整个合唱团的声音，”他说。“我们希望听到宇宙中所有正在合并的超大质量黑洞双星的集体合唱。”

超大质量黑洞是最大的黑洞类型，质量是太阳的数百万到数十亿倍，它们位于星系的中心。

NANOGrav研究人员表示，未来对超大质量黑洞发出的信号的研究将使科学家能够通过一个新的窗口观察引力波宇宙，从而深入了解在遥远星系中心合并的巨大黑洞，并可能深入了解其他奇异的低质量黑洞来源。-频率引力波。

“这只是我们工作的开始，”西门子说。