超大質量黑洞可能解開我們宇宙的引力波“嗡嗡”之謎

2025-12-09 18:24:40 分類：熱點 閱讀(979)

穿越時空的重力波和發射它們的超大質量黑洞雙星的圖解。(圖片來源:uux.cn/Aurore Simonnet，質量宙NANOGrav合作組織)
（神秘的黑洞地球uux.cn）據美國太空網（羅伯特·李）：今年早些時候，經過15年的解開搜索，科學家們終于聽到了充滿我們宇宙的宇謎低頻引力波的背景嗡嗡聲。現在，引力搜尋這些時空漣漪源頭的嗡嗡艱苦工作可以開始了。
目前，質量宙這種情況下的黑洞主要嫌疑人是超大質量黑洞對，其質量是解開太陽的數百萬倍，甚至數十億倍。宇謎然而，引力這并不意味著沒有空間給一些不尋常的嗡嗡嫌疑人，這可能會潛在地將我們引向新的質量宙物理學。
這項突破是黑洞由北美納赫茲引力波天文臺(NANOGrav)合作的研究人員取得的，他們分析了68顆快速旋轉的中子星，也稱為脈沖星，它們以固定的間隔掃過地球。這種活動可以讓脈沖星變成一個非常精確的宇宙時鐘，稱為“脈沖星計時陣列”。
當引力波在宇宙中波動時，它們會導致空間和時間，或者時空的結構被擠壓。圍繞這一效應的數據可以與這些脈沖星計時陣列結合起來，最終創建一個可檢測的信號或“光譜”，供科學家研究。
然而，這并不是第一次探測到引力波。從2015年開始，激光干涉儀引力波天文臺(LIGO)已經進行了早期的識別，但問題是，這些識別涉及來自不同來源的更高頻率、更短波長的引力波，如恒星質量黑洞。
“NANOGrav探測到的這些引力波的最大區別在于波長。這些引力波要長得多，”國家射電天文臺(NRAO)天文學家、NANOGrav前任主席Scott Ransom告訴Space.com。
蘭森還將這種差異與我們熟悉的電磁頻率現象進行了比較:“如果你從電磁頻譜的角度來考慮，納米格拉夫就像射電天文學，而LIGO就像X射線天文學。”

一張圖說明了引力波光譜和在時空中搜尋這些波紋所需的探測器。(圖片鳴謝:uux.cn/NASA戈達德太空飛行中心)
這兩種引力波在波長頻率上的差異是巨大的。
從這個角度來看，LIGO探測到的引力波表現出數千英里(或千米)長的波長和毫秒到秒的頻率。相比之下，NANOGrav探測到的新引力波的波長在萬億英里(或千米)的范圍內。這與太陽和其鄰近恒星比鄰星之間的距離相似，比鄰星的長度驚人地達到20光年。另外，納米重力波長的頻率是幾年而不是幾秒。
實際上，這意味著科學家需要建立超過15年的NANOGrav數據來確認低頻引力波檢測。但是，當它發生時，等待是值得的。
這是因為這些結果有能力向我們指出關于我們宇宙的新信息。
“脈沖星計時陣列實驗肯定是長期實驗，你必須非常耐心，因為我們的信號會隨著時間慢慢增長，”蘭森說。“低頻引力波的探測意味著它們來自非常不同的來源，與LIGO和室女座的來源不同，后者是恒星質量黑洞和中子星合并。”
主要懷疑對象:超大質量黑洞雙星
Ransom是研究人員合作的一部分，他們認為低頻引力波，包括NANOGrav探測到的引力波，可能來自一個非常不可思議的來源。該團隊認為，它們可能來自成千上萬的超大質量黑洞配對，在138億年的宇宙歷史進程中，它們足夠接近，以至于合并在一起。
蘭森解釋說，引力波將來自超大質量黑洞配對，因為這些物體彼此圍繞軌道運行了幾十萬年。但是他說，當電波從黑洞中竊取了足夠的角動量，導致后者合并時，這種電波發射總有一天會停止。
蘭森說:“那時他們正在釋放這些巨大的重力波，并失去能量，最終他們將會相撞。”“但我們不知道有多少這樣的超大質量黑洞雙星，我們也不知道它們有多大，所有這些都決定了你何時才能最終探測到引力波。”

一幅插圖顯示了超大質量黑洞相互圍繞旋轉，使得時空被重力波環繞。(圖片來源:uux.cn/美國宇航局/JPL加州理工學院/SwRI/MSSS/克里斯托弗·戈)
該小組的發現與科學家長期以來期望發現的超大質量黑洞雙星相吻合。
“幾十年來，理論家們一直假設超大質量黑洞雙星應該產生一種信號，其特征就像NANOGrav和其他脈沖星計時陣列所看到的一樣，”西北大學理論天體物理學家兼NANOGrav研究員盧克·Zoltan·凱利告訴Space.com。“對于大多數人來說，超大質量黑洞雙星是產生引力波背景的自然最佳猜測。”
不過，這并不意味著它已經“結案”了。研究人員需要更多的間接證據來指出宇宙中存在超大質量黑洞雙星這樣的重大事件。
“雙星面臨的挑戰是，以前沒有超大質量黑洞雙星的例子被完全證實，所以我們實際上不能確定這些不可思議的物體是否存在，”Zoltan·凱利說。“也就是說，如果它們不存在，那將是一個更大的謎，因為我們知道星系包含超大質量黑洞，我們知道星系合并是它們進化的正常部分。”
讓這個宇宙之謎更加復雜的是，事實上還有其他團隊在考慮低頻引力波發射器的更奇特的嫌疑人。
(不同尋常的)嫌疑人
Zoltan·凱利向Space.com指出，除了雙星之外，在宇宙學和粒子物理學中還有許多新的模型，在適當的情況下，也可以產生類似于NANOGrav探測到的引力波背景。
“例如，軸子或‘模糊’暗物質、宇宙弦、膨脹相變和許多其他東西，”西北大學天體物理學家說。“這些可能性真正令人興奮的是，這些模型中的每一個都試圖解釋我們宇宙中一些最大的謎團。”
其中包括暗物質的性質——一種占宇宙“物質”約85%的物質形式，但由于它不與光相互作用，實際上仍然不可見——以及大爆炸后導致宇宙膨脹再次加速的之謎。
“在我看來，這是雙贏。如果背景是宇宙學的，它將徹底改變我們對宇宙和基礎物理學的理解——這可能是科學史上最大的發現之一，”Zoltan·凱利繼續說道。“相反，如果背景來自無聊的古老超大質量黑洞雙星，那么我們就可以探索宇宙中最大質量的物體是如何形成對并螺旋在一起，同時釋放出比大多數整個星系在其一生中更多的能量。”
幸運的是，有一種方法可以讓科學家們確認這些引力波的來源，特別是如果引力波在天空中有一個優選的方向，這意味著它們從一個方向來的更強更亮。
“下一步是確定這些引力波來自哪里，”Zoltan·凱利說。“我們認為我們可以通過繪制天空不同部分振幅的差異來做到這一點。如果雙星產生了背景，那么我們希望能夠看到天空不同部分的亮度差異，而如果來源是宇宙學的——比如宇宙弦或相變——那么引力波背景應該在整個天空中幾乎完全一致。”
西北大學的天體物理學家補充說，該團隊也很高興能夠通過可能探測到最初聚集在一起形成這種引力波背景的單個黑洞來進一步開展這項研究。
“這將是一個難以置信的機會，利用傳統的電磁望遠鏡找到這些來源，”Zoltan凱利補充說。“我們正在非常努力地工作，以找出哪些類型的電磁信號將暗示活躍的星系核(AGN)或類星體中存在二元黑洞，以便我們可以開始搜索它們。”
即使在NANOGrav研究人員最終確定低頻引力波的來源之前，僅僅探測到兩種不同的時空波動就已經令人震驚了。尤其令人震驚的是，在1915年的引力廣義相對論中首次預測到引力波的阿爾伯特·愛因斯坦也預測到，時空中的這些漣漪會太微弱，人類永遠無法探測到。
“我認為令人驚訝的是，天文學技術和研究的發展水平如此之高，以至于在十年內，我們打開了引力波宇宙的兩個完全獨立的窗口，”蘭森總結道。
NANOGrav對低頻引力波長達15年的搜索細節在8月1日發表在《天體物理學雜志快報》上的一篇論文中披露。