2017年的諾貝爾物理學獎授予了101年前的一個預測——1916年，艾爾伯特·愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論徹底改變了科學家們對恒星和星系尺度下的物理學理解。愛因斯坦當時預言，在某些情況下，宇宙本身的結構會抖動和擺動，這也是人類歷史上首次出現“引力波”的概念。
近日，一個國際科學家團隊的新發現，不僅證實引力波確實存在，驗證了愛因斯坦在1916年做出的預測，還首次觀測到“引力波背景”證據，為研究人員提供了研究黑洞和中子星等奇妙宇宙現象的新途徑。
當地時間6月29日，發表在《天體物理學雜志快報》上的一系列新論文中，科學家報告了他們的成果。來自中國、美國、澳大利亞和歐洲的研究人員稱，他們探測到了一種難以捉摸的宇宙“嗡嗡聲”跡象，這些“嗡嗡聲”可能由宇宙中最大的黑洞產生。
這一發現意味著天體物理學家可能已經為了解超大質量黑洞打開了一個全新窗口，將把人類帶入一個全新的引力波天文學時代。《經濟學人》文章稱，這項新發現甚至還可能揭示一些關于宇宙最早期歷史的故事。
引力波或來自一對超大質量黑洞，每個的質量是太陽的數百萬倍
“引力波背景”輻射是由許多不同的引力波源疊加而成的，它們的頻率和強度都不相同，但都很低，它們應該存在于我們周圍，并可能會告訴我們它恒久隱藏著的重要信息。但遺憾的是，關于其存在和組成，一直只是理論化的產物，直到上述國際科技團隊公布新發現。
據悉，科學家們此次探測到的引力波背景最可能的來源是陷入“死亡螺旋”的一對超大質量黑洞。這些黑洞龐大到能達到數十億個太陽質量。由于幾乎所有星系，包括銀河系中心都盤踞著這樣一個黑洞怪物，因此當兩個星系碰撞和合并時，它們的超大質量黑洞會相遇并開始相互繞轉。一旦兩個黑洞足夠接近，就有可能被脈沖星計時陣列觀測到。
范德比爾特大學的天體物理學家、北美納米赫茲引力波觀測站（下稱NANOGrav）的研究小組主席Stephen Taylor表示，“過去15年里，我們一直在執行一項任務，即找到響徹整個宇宙的引力波。我們非常高興地宣布，我們的工作終于得到了回報。”
15年來，NANOGrav的天文學家們對銀河系中數十個毫秒脈沖星的無線電波進行了密切計時，此次的新發現就來自對67顆脈沖星陣列進行詳細分析的結果。NANOGrav的研究人員已經在仔細研究一個數據集，其中包括了該團隊過去15年來的觀測結果。
一對超大質量黑洞（左上）發射出引力波（藝術想象圖）。圖片來源：NANOGrav
西弗吉尼亞大學nanogravity天體物理學家Maura McLaughlin表示，“我們預計，在這個長達15年的數據集中看到的引力波證據會更加強大。”她還補充稱，這項工作應該會在未來1~2年內完成，并將為這個數據集增加更多的脈沖星信息。
McLaughlin還稱，除了為引力波背景信號提供更有力的證據外，該數據集甚至可能讓研究人員鎖定一個特定來源的位置，比如一對附近的超大質量黑洞。
《每日經濟新聞》記者注意到，NANOGrav團隊并不是唯一一個報告引力波背景的團隊。中國、歐洲、印度和澳大利亞團隊發表的多篇論文報告稱，他們的數據中存在相同的引力波背景信號。通過國際脈沖星計時陣列聯盟，各個小組也正在匯集他們的數據，以更好地表征信號并識別其來源。
意大利米蘭比可卡大學研究人員Alberto Sesan博士表示，這些新探測到的引力波最可能的來源是一對超大質量黑洞，其中每個黑洞的質量都是太陽的數百萬倍。他們最常出現在星系的中心。在數十億年的時間里，星系的碰撞預計會頻繁發生，并在宇宙中產生一種背景“嗡嗡聲”。Sesan博士指出，“這證明超大質量黑洞雙星確實存在于自然界中。”
《經濟學人》文章中稱，該引力波的來源還有另一種可能，雖然可能性要小得多，但也十分令人興奮，即最新探測到的引力波可能是人類對宇宙早期歷史的最深刻一瞥，當時宇宙的體積在短時間內迅速增加，并造成這種“嗡嗡聲”。
“宇宙燈塔”脈沖星探測超低頻率引力波
其實，這并不是人類首次觀測到宇宙中的引力波——2015年，引力波就首次被人類直接觀測到。當時天文學家們用位于美國西北部華盛頓州和東南部路易斯安那州的天文臺，探測到一對黑洞碰撞產生的波，每個黑洞的質量約為太陽的30倍。這在宇宙中產生了頻率約為150Hz的波，波長約為2000公里。
8年前的這一探測，標志著引力波天文學時代的正式開始。這種科學利用重力來研究宇宙，就像傳統天文學利用電磁輻射一樣，從可見光到無線電波和伽馬射線。
圖片來源：WSWS報道截圖
據悉，大多數的引力波探測器都是干涉儀，它的工作原理是將一束光分成兩半，然后將每一半的光送入一對垂直的長臂中。在長臂的末端，光脈沖被反射回源頭，并在源頭將光束重新組合起來。如果這個過程沒有中斷，那么返回的光束在重新組合時將相互抵消。
在天文探測界，對引力波的尋找往往需要大型的儀器。美國LIGO探測儀的臂長達4公里，歐洲儀器Virgo的臂長則為3公里。如果探測的引力波頻率越低，所需要的探測儀器的臂長就要更長。例如，如果需要探測頻率在1Hz左右的引力波，就需要比地球本身更大的探測器。這也就是歐洲航天局正在建造一艘名為LISA的航天器的原因，該航天器預計將于本世紀30年代末準備就緒，它將使用一個太空極光和鏡面系統來制造250萬公里長的臂長。
然而，最新的研究結果涉及的引力波頻率是在納赫茲范圍內的波。為了探測到這些超低頻率引力波，天文學家必須依靠大自然產生的光脈沖，特別是“宇宙燈塔”脈沖星。脈沖星是一種高速旋轉、高度穩定、強烈輻射電磁波的星體。脈沖到達地球的規律就像節拍器一樣精確，當引力波在地球和脈沖星之間通過時，無線電波計時就會立刻被擾亂。脈沖星計時陣列也就成為了當前最有希望探測到引力波背景的方法。
不過需要指出的是，雖然研究人員發現了超低頻率的引力波，但這仍需要很大的耐心，因為多年來各個天文臺的觀測結果都是慢慢傳輸的。最新研究中包含的一些數據甚至是25年前收集的。
美國國家科學基金會主任Sethuraman Panchanathan表示，科學家們此次“在本質上創建了一個全銀河系探測器，揭示了彌漫在宇宙中的引力波”。
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