2017年的諾貝爾物理學(xué)獎授予了101年前的一個預(yù)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(xué)家們對恒星和星系尺度下的物理學(xué)理解。愛因斯坦當(dāng)時預(yù)言，在某些情況下，宇宙本身的結(jié)構(gòu)會抖動和擺動，這也是人類歷史上首次出現(xiàn)“引力波”的概念。
近日，一個國際科學(xué)家團(tuán)隊的新發(fā)現(xiàn)，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(yù)測，還首次觀測到“引力波背景”證據(jù)，為研究人員提供了研究黑洞和中子星等奇妙宇宙現(xiàn)象的新途徑。
當(dāng)?shù)貢r間6月29日，發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志快報》上的一系列新論文中，科學(xué)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(chǎn)生。
這一發(fā)現(xiàn)意味著天體物理學(xué)家可能已經(jīng)為了解超大質(zhì)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(xué)時代。《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》文章稱，這項新發(fā)現(xiàn)甚至還可能揭示一些關(guān)于宇宙最早期歷史的故事。
引力波或來自一對超大質(zhì)量黑洞，每個的質(zhì)量是太陽的數(shù)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(qiáng)度都不相同，但都很低，它們應(yīng)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(guān)于其存在和組成，一直只是理論化的產(chǎn)物，直到上述國際科技團(tuán)隊公布新發(fā)現(xiàn)。
據(jù)悉，科學(xué)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(zhì)量黑洞。這些黑洞龐大到能達(dá)到數(shù)十億個太陽質(zhì)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(dāng)兩個星系碰撞和合并時，它們的超大質(zhì)量黑洞會相遇并開始相互繞轉(zhuǎn)。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(xué)的天體物理學(xué)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(zhí)行一項任務(wù)，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(xué)家們對銀河系中數(shù)十個毫秒脈沖星的無線電波進(jìn)行了密切計時，此次的新發(fā)現(xiàn)就來自對67顆脈沖星陣列進(jìn)行詳細(xì)分析的結(jié)果。NANOGrav的研究人員已經(jīng)在仔細(xì)研究一個數(shù)據(jù)集，其中包括了該團(tuán)隊過去15年來的觀測結(jié)果。
一對超大質(zhì)量黑洞（左上）發(fā)射出引力波（藝術(shù)想象圖）。圖片來源：NANOGrav
西弗吉尼亞大學(xué)nanogravity天體物理學(xué)家Maura McLaughlin表示，“我們預(yù)計，在這個長達(dá)15年的數(shù)據(jù)集中看到的引力波證據(jù)會更加強(qiáng)大�！彼�補(bǔ)充稱，這項工作應(yīng)該會在未來1~2年內(nèi)完成，并將為這個數(shù)據(jù)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(jù)外，該數(shù)據(jù)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(zhì)量黑洞。
《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者注意到，NANOGrav團(tuán)隊并不是唯一一個報告引力波背景的團(tuán)隊。中國、歐洲、印度和澳大利亞團(tuán)隊發(fā)表的多篇論文報告稱，他們的數(shù)據(jù)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(lián)盟，各個小組也正在匯集他們的數(shù)據(jù)，以更好地表征信號并識別其來源。
意大利米蘭比可卡大學(xué)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(zhì)量黑洞，其中每個黑洞的質(zhì)量都是太陽的數(shù)百萬倍。他們最常出現(xiàn)在星系的中心。在數(shù)十億年的時間里，星系的碰撞預(yù)計會頻繁發(fā)生，并在宇宙中產(chǎn)生一種背景“嗡嗡聲”。Sesan博士指出，“這證明超大質(zhì)量黑洞雙星確實存在于自然界中。”
《經(jīng)濟(jì)學(xué)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(dāng)時宇宙的體積在短時間內(nèi)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(dāng)時天文學(xué)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(chǎn)生的波，每個黑洞的質(zhì)量約為太陽的30倍。這在宇宙中產(chǎn)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(biāo)志著引力波天文學(xué)時代的正式開始。這種科學(xué)利用重力來研究宇宙，就像傳統(tǒng)天文學(xué)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(jù)悉，大多數(shù)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(dá)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(yù)計將于本世紀(jì)30年代末準(zhǔn)備就緒，它將使用一個太空極光和鏡面系統(tǒng)來制造250萬公里長的臂長。
然而，最新的研究結(jié)果涉及的引力波頻率是在納赫茲范圍內(nèi)的波。為了探測到這些超低頻率引力波，天文學(xué)家必須依靠大自然產(chǎn)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(zhuǎn)、高度穩(wěn)定、強(qiáng)烈輻射電磁波的星體。脈沖到達(dá)地球的規(guī)律就像節(jié)拍器一樣精確，當(dāng)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(dāng)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(fā)現(xiàn)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(jié)果都是慢慢傳輸?shù)摹?strong>最新研究中包含的一些數(shù)據(jù)甚至是25年前收集的。
美國國家科學(xué)基金會主任Sethuraman Panchanathan表示，科學(xué)家們此次“在本質(zhì)上創(chuàng)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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