天文探索：“銀河係尺度”天文台捕捉到引力波的潛在跡象

該圖顯示了NANOGrav計劃在通過觀察名為“脈衝星”的宇宙體來試圖探測引力波——空間結構波紋。該計劃在尋找低水平的引力波背景信號，該信號被認為存在於整個宇宙。圖片來源：NANOGrav/T. Klein
科學家們利用“銀河係尺度”空間天文台發現了一種引力波獨特信號的跡象，或者說，發現了穿越宇宙、扭曲時空結構的強力波紋。
這項新發現來自美國、加拿大聯合發起的北美納赫茲引力波天文台計劃（the North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves，簡稱NANOGrav），已於近日發表在《天體物理學雜誌快報》。
在過去的十三多年間，NANOGrav的研究人員密切關注著由幾十顆脈衝星發出的穿越銀河係的光流，試圖探測“引力波背景”。這個詞從理論上講是指以穩定通量持續衝刷地球的引力輻射流。該研究成果的一作、卡羅拉多大學博爾德分校的天體物理學家Joseph Simon表示，該團隊目前尚未明確目標的精確位置，但已前所未有地接近目標。


圖片來源：Pixabay
天體物理學與行星科學係博士後Simon表示，“在我們的數據集中發現了一個強信號。但我們目前還無法斷定這個信號是引力波背景。”
2017年，參與激光幹涉引力波天文台實驗（the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ，簡稱LIGO）的科學家們憑借首次直接探測到引力波而獲諾貝爾物理學獎。這些引力波來自兩個距離地球約1.3億光年的黑洞相互之間的猛烈撞擊，該撞擊產生了傳播到我們太陽係的宇宙波。
那次事件類似鑔的敲擊——屬於劇烈而又短暫的爆發。而Simon及其同事們正在尋找的引力波則恰恰相反，更像是在嘈雜的雞尾酒晚宴上持續的交談聲。
他還補充說，探測這一背景噪音將會是一項重大的科學成就，將為宇宙運行規律的研究打開新的窗口。例如，這些引力波就可能為科學家們提供新的工具以研究位於很多星係中心的超級黑洞是如何隨時間融合的。
科羅拉多大學博爾德分校天體物理學與行星科學係聯合教授、NANOGray成員Julie Comerford表示：“這些引力波背景的誘人跡象表明，超級黑洞很可能確實會融合，而我們就在全宇宙星係的超級黑洞融合引發的引力波海洋中浮動。”。
Simon將在美國天文學會於周一舉辦的第237次會議的虛擬新聞發布會上發表團隊成果。


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在NANOGray的工作中，Simon和Comeford承擔了部分尋找引力波背景的工作，盡管該項工作由各方合作完成，但仍然是一場高風險的國際競賽。他們的項目加入了另外兩個歐洲、澳大利亞的項目，共同構成了國際脈衝星時序陣列（the International Pulsar Timing Array）網絡。
Simon表示，至少從理論上說，融合的星係及其他宇宙事件產生了引力波的持續攪動。Simon說，這些波十分龐大——即使一個很簡單的波也需要幾年甚至更久的時間才能經過地球。因此，沒有任何其他現存的實驗能夠直接探測到他們。
“其他天文台搜尋以秒為尺度的引力波”，Simon說，“而我們在尋找以幾年或幾十年為尺度的波。”
他和他的同事必須充分發揮創造力。NANOGray團隊並不利用地基望遠鏡尋找引力波，但會用它們觀察脈衝星。這些塌縮的星就像銀河係的燈塔，以難以置信的速度飛快旋轉，以幾乎亙古不變的閃爍方式向地球噴射輻射流。
Simon解釋說，引力波改變了脈衝星光的穩定模式，拉長或擠壓了光線在空間傳播的相對距離。也就是說，通過監測脈衝星光抵達地球時間的相關變化，科學家們也許能夠輕鬆觀察到引力波背景。
“這些脈衝星旋轉得像廚房的攪拌機一樣迅速”，他說，“而我們在尋找的卻是時間上僅僅幾百納秒的偏差。”
為了尋找這一微妙的信號，NANOGray團隊努力觀察了盡可能多的脈衝星。目前，該小組已經觀察到了45顆，每顆脈衝星都至少觀測了3年以上，某些脈衝星的觀測時間甚至長達十多年之久。
這項艱難的工作似乎即將取得成功。在最近的研究中，Simon及其同事匯報說，在他們的數據中已經探測到一個獨特的信號：某個常見過程似乎在影響很多脈衝星發出的光。
“我們依次遍曆了這些脈衝星，我想我們之前都期望在我們的數據中找到幾個特別的脈衝星，”Simon說。“不過後來我們遍曆了所有脈衝星，發現‘天呐，這裏真的暗藏玄機。’”
研究人員尚不能確定信號來源。他們將需要在數據集中加入更多脈衝星，並進行更長時間的觀察，以確定探測到的信號是否真的是引力波背景。
“能夠探測引力波背景將是非常重要的一步，但也僅僅是第一步，”他說。“第二步是準確指出是什麽產生了這些波，以及發現這些波能告訴我們關於宇宙的哪些信息。”
翻譯：耿淑娟
審校：張和持
引進來源：科羅拉多大學博爾德分校
引進鏈接：https://phys.org/news/2021-01-galaxy-sized-observatory-potential-hints-gravitational.html


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