宇宙中充斥着引力辐射——一种频率极低的隆隆声，有节奏地拉伸和压缩时空以及嵌入其中的物质。艺术家对一系列脉冲星的解释，这些脉冲星受到遥远星系中超大质量黑洞双星产生的引力波纹的影响。图片来源：AuroreSimonnet、NANOGrav合作

15年后脉冲星计时提供了宇宙引力波背景的证据

这是来自世界各地的几组研究人员的结论，他们同时发表了大量期刊文章，描述了超过15年对银河系角落毫秒脉冲星的观测结果。

至少一个研究小组——北美纳赫兹引力波天文台(NANOGrav)合作组织——已经找到了令人信服的证据，表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。

“这是极低频率引力波的关键证据，”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。“经过多年的努力，NANOGrav正在为引力波宇宙打开一扇全新的窗户。”

引力波于2015年首次由激光干涉仪引力波天文台(LIGO)探测到。时空的短波长涨落是由较小的黑洞或偶尔中子星的合并引起的，所有这些黑洞的重量都小于几百个太阳质量。

现在的问题是：长波引力波——周期从几年到几十年——也是由黑洞产生的吗?

在加州大学伯克利分校《天体物理学杂志快报》(ApJLetters)接受的一篇论文中，物理学家LukeZoltanKelley和NANOGrav团队认为，嗡嗡声可能是由数十万对超大质量黑洞产生的——每个黑洞的重量质量是太阳质量的数十亿倍——在宇宙的历史上，它们彼此之间的距离已经足够接近，足以合并。

该团队对包含数十亿个源的超大质量黑洞双星群进行了模拟，并将预测的引力波特征与NANOGrav的最新观测结果进行了比较。

黑洞在合并之前的轨道舞蹈会振动时空，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，这些引力波如今重叠在一起，就像扔进池塘的一把鹅卵石产生的涟漪一样，产生了背景嗡嗡声。

由于这些引力波的波长是以光年为单位测量的，因此探测它们需要一个星系大小的天线阵列——一组毫秒脉冲星。

“我想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。这绝对是我们最好的猜测，而且与数据完全一致，但我们并不乐观，”加州大学伯克利分校天文学助理兼职教授凯利说。

“如果它是双星，那么这就是我们第一次真正证实超大质量黑洞双星的存在，这在50多年来一直是一个巨大的谜团。”

凯利将与泰勒和其他三名合作成员一起参加由资助NANOGrav的国家科学基金会于6月29日星期四美国东部时间下午1点(太平洋夏令时间上午10点)在YouTube上直播的公共活动。希望参加网络研讨会的记者可以在此处在线注册。

“我们看到的信号来自空间和时间上的3D宇宙总体。许多很多这样的双星的集合共同为我们提供了这个背景，”天体物理学家Chung-PeiMa说道，他是加州大学伯克利分校天文学和物理系朱迪·钱德勒·韦伯物理科学教授，也是NANOGrav合作组织的成员。

马指出，虽然天文学家已经通过无线电、光学和X射线观测识别出了许多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来引导它们在天空中的哪个位置搜索电磁波并进行详细研究黑洞双星。

Ma领导了一个研究100个距离地球最近的超大质量黑洞的项目，并渴望找到其中一个黑洞周围活动的证据，这些证据表明存在一对双星，以便NANOGrav可以调整脉冲星计时阵列来探测那片天空的引力波浪。超大质量黑洞双星在合并之前可能会发射引力波几百万年。

背景引力波的其他可能原因包括暗物质轴子、宇宙诞生之初遗留下来的黑洞(所谓的原初黑洞)和宇宙弦。今天发表在ApJLetters上的另一篇NANOGrav论文列出了对这些理论的限制。

“其他团体认为这来自宇宙膨胀或宇宙弦或其他类型的新物理过程，这些过程本身就非常令人兴奋，但我们认为双星的可能性更大。然而，为了真正能够明确地说这是来自双星，我们要做的是测量引力波信号在天空中的变化程度。二进制文件应该比其他来源产生更大的变化，”凯利说。

“随着我们继续建立敏感性，现在确实是认真的工作和兴奋开始的时候。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很快就会变得越来越好。”

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灰尘。Ma最近分析了一个大型星系M87中心恒星的运动，并对其质量(太阳质量的53.7亿倍)进行了精确估计，尽管黑洞本身完全被遮蔽了。

令人着迷的是，M87中心的超大质量黑洞可能是双黑洞。但没有人确切知道。

“我对M87，甚至我们的银河中心人马座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?我认为目前没有人可以排除这种可能性。”马云说。

“检测来自双星超大质量黑洞的引力波确实需要来自未来的研究，我们希望能够看到来自单个双星源的连续波检测。”

星系合并的模拟表明，双超大质量黑洞很常见，因为两个合并星系的中心黑洞应该一起向更大的合并星系的中心下沉。

凯利说，这些黑洞将开始相互绕轨道运行，尽管NANOGrav能够探测到的波只有在它们非常接近时才会发射——大约是我们太阳系直径的10到100倍，或者是地球直径的1,000到10,000倍——太阳距离为9300万英里。

但是，与合并星系中的气体和尘埃的相互作用能否使黑洞向内螺旋以达到如此接近的程度，从而使合并不可避免?

凯利说：“这在某种程度上是超大质量黑洞双星中最大的不确定性：如何将它们从星系合并后的状态带到它们实际合并的位置。”

“星系合并将两个超大质量黑洞聚集在一起，距离约为千秒差距，距离为3,200光年，大约相当于星系核的大小。但它们需要将间距缩小五到六个数量级才能真正产生引力波。”

“这两者可能会陷入停滞，”马云指出。“我们称之为最后一个秒差距问题。如果没有其他通道来缩小它们，那么我们就不会期望看到引力波。”

但NANOGrav数据表明，大多数超大质量黑洞双星不会失速。

凯利表示：“我们看到的引力波振幅表明合并非常有效，这意味着很大一部分超大质量黑洞双星可以从这些大型星系合并尺度缩小到非常非常小的亚秒差距尺度。”说。

NANOGrav能够测量背景引力波，这要归功于毫秒脉冲星的存在——快速旋转的中子星，每秒将明亮的无线电波束扫过地球数百次。由于未知原因，它们的脉动率精确到十分之一毫秒之内。

当已故加州大学伯克利分校天文学家唐纳德·巴克(DonaldBacker)于1982年发现第一颗此类毫秒脉冲星时，他很快意识到这些精密闪光器可用于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散布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，Backer创立了NANOGrav，该合作项目目前已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银河系中我们所在部分的一组毫秒脉冲星，并在考虑了运动的影响后，寻找脉冲速率的相关变化，这些变化可能归因于长波长引力波穿过银河系。

凯利说，特定脉冲星信号的到达时间的变化约为百万分之一秒。

“只有统计上的相干变化才是引力波的真正标志，”他说。

“你总是会看到毫秒、几十毫秒尺度的变化。这只是由于噪声过程造成的。但你需要深入挖掘并查看这些相关性，以获取幅度约为100纳秒左右的信号。”

NANOGrav合作项目总共监测了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(欧洲脉冲星定时阵列)、澳大利亚(帕克斯脉冲星定时阵列)和中国(中国脉冲星定时阵列)的小组正在使用这些程序来关联来自不同(尽管有时重叠)组的信号。脉冲星比NANOGrav使用的脉冲星还要多。

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一些推论。其一，信号的幅度意味着种群倾向于更高质量。

虽然已知的超大质量黑洞最大质量约为200亿个太阳质量，但许多产生背景的黑洞可能更大，甚至可能有40或600亿个太阳质量。或者，超大质量黑洞双星的数量可能比我们想象的要多得多。

“虽然观测到的引力波信号的幅度与我们的预期大致一致，但它肯定有点偏高，”他说。

“因此，我们需要相对较大的超大质量黑洞的某种组合，这些黑洞的出现率非常高，而且它们可能需要能够非常有效地合并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%，但它们合并的效率也高了一倍，或者是某种参数的组合。”

随着更多年的观测获得更多数据，NANOGrav团队期望获得更令人信服的证据来证明宇宙引力波背景及其产生原因(可能是多种来源的组合)。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，这是非常令人兴奋的，”马云说。“这为超大质量黑洞研究打开了一个全新的窗口。”