遍布太空的波中亮點(diǎn)發(fā)出網(wǎng)格狀圖案(圖片來(lái)源:Aurore Simonnet，NANOGrav合作組織)
（神秘的嗡嗡濟(jì)南外圍上門(mén)外圍女（電話微信181-8279-1445）真實(shí)上門(mén)外圍上門(mén)外圍女，快速安排30分鐘到達(dá)地球uux.cn）據(jù)美國(guó)太空網(wǎng)（羅伯特·李）：宇宙的結(jié)構(gòu)在它最早的時(shí)代就充滿了引力波，研究人員終于“聽(tīng)到”了這首宇宙交響曲。作響
6月28日星期四，科學(xué)北美納赫茲引力波天文臺(tái)(NANOGrav)發(fā)現(xiàn)了低頻引力波，家對(duì)這是發(fā)現(xiàn)奮一項(xiàng)歷史性的突破，代表了15年的此興搜索。然而，宇宙引力這并不是波中人類第一次探測(cè)到引力波。自2015年以來(lái)，嗡嗡科學(xué)家們一直在使用激光干涉儀引力波天文臺(tái)(LIGO)等設(shè)施檢測(cè)空間結(jié)構(gòu)中的作響這些波紋。
因此，科學(xué)考慮到這一點(diǎn)，家對(duì)為什么這不是發(fā)現(xiàn)奮另一個(gè)無(wú)可爭(zhēng)議的令人印象深刻的對(duì)引力波的探測(cè)呢？答案都是關(guān)于三個(gè)相互聯(lián)系的性質(zhì):引力波的頻率、波長(zhǎng)和周期，以及這些告訴科學(xué)家關(guān)于首次將它們發(fā)送到空間的物體和事件的信息。
什么是引力波？
阿爾伯特·愛(ài)因斯坦1915年的引力理論，廣義相對(duì)論，預(yù)測(cè)有質(zhì)量的濟(jì)南外圍上門(mén)外圍女（電話微信181-8279-1445）真實(shí)上門(mén)外圍上門(mén)外圍女，快速安排30分鐘到達(dá)物體對(duì)空間和時(shí)間的結(jié)構(gòu)有扭曲效應(yīng)——統(tǒng)一為“時(shí)空”——引力源于這種扭曲。廣義相對(duì)論還提出，當(dāng)物體加速時(shí)，它們應(yīng)該在時(shí)空中產(chǎn)生波紋，這是一種我們稱之為引力波的重力輻射。當(dāng)加速度涉及到超大質(zhì)量黑洞和中子星這樣的大質(zhì)量物體時(shí)，這種效應(yīng)變得非常顯著。
引力波，像電磁輻射一樣，在一個(gè)頻率范圍內(nèi)，高頻引力波，像高頻光，波長(zhǎng)更短，能量更大，而低頻引力波波長(zhǎng)更長(zhǎng)，能量更小。低頻長(zhǎng)波引力波也有很長(zhǎng)的周期，即從一個(gè)波峰經(jīng)過(guò)一個(gè)設(shè)定點(diǎn)到下一個(gè)波峰經(jīng)過(guò)該點(diǎn)所需的時(shí)間。
并非所有的引力波都是平等的
6月28日宣布的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著首次探測(cè)到低頻引力波。這些低頻引力波的來(lái)源被認(rèn)為是非常早期宇宙中的超大質(zhì)量黑洞雙星。從管弦樂(lè)隊(duì)的角度來(lái)考慮這個(gè)問(wèn)題。LIGO可以聽(tīng)到像碰撞和合并這樣的暴力事件發(fā)出的戲劇性的單一“撞擊”聲。NANOGrav聽(tīng)到的低頻引力波信號(hào)類似于小提琴柔和的背景和聲。
這個(gè)信號(hào)的強(qiáng)度表明早期宇宙中存在一個(gè)數(shù)十萬(wàn)甚至數(shù)百萬(wàn)顆超大質(zhì)量黑洞雙星的引力波管弦樂(lè)團(tuán)。
“這一發(fā)現(xiàn)為引力宇宙打開(kāi)了一個(gè)新的低頻窗口，讓我們能夠研究星系及其中央黑洞如何隨時(shí)間合并和增長(zhǎng)，”國(guó)家射電天文臺(tái)(NRAO)天文學(xué)家Scott Ransom告訴Space.com，他是NANOGrav的大約190名科學(xué)家之一。
當(dāng)黑洞和中子星相互旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的低頻引力波流，有效地導(dǎo)致時(shí)空像輕輕敲響的鐘一樣響起。當(dāng)它們被發(fā)射時(shí)，引力波帶走了角動(dòng)量(自旋)，這導(dǎo)致黑洞聚集在一起。
軌道運(yùn)行的物體越近，它們發(fā)射引力波的速度越快，這種重力輻射的頻率就變得越高；此外，它們離得越近，失去角動(dòng)量的速度就越快，它們會(huì)越快地螺旋在一起，直到碰撞合并。這種猛烈的碰撞發(fā)出了一股高頻引力波，穿過(guò)太空。
此外，對(duì)于這些時(shí)空中微弱的漣漪，也有更奇特的可能解釋。這個(gè)信號(hào)的一部分可能是甚至早于這些早期黑洞對(duì)的引力波背景，來(lái)自大爆炸和宇宙本身的起源。
一位藝術(shù)家描繪了碰撞的黑洞在時(shí)空結(jié)構(gòu)中引起的漣漪。(圖片來(lái)源:赫特/加州理工學(xué)院JPL分校)
為什么納米格拉夫能做到LIGO和麗莎做不到的事情(反之亦然)
就像需要不同的望遠(yuǎn)鏡才能看到電磁波譜中不同頻率的光一樣，需要不同的引力波探測(cè)器才能“聽(tīng)到”這種基于重力的輻射光譜的不同頻率。
像LIGO這樣的設(shè)施已經(jīng)非常成功地探測(cè)到了由黑洞、中子星甚至兩者之間的混合合并引起的較高頻率的引力波，但較低頻率的引力波一直難以探測(cè)。
這是因?yàn)橐Σǖ挠绊懸呀?jīng)很小了，NANOGrav估計(jì)引力波對(duì)時(shí)空的影響小到大約十億分之一！
盡管它很敏感，LIGO和它的地基引力波觀測(cè)站不能接收低頻引力波。即使是即將到來(lái)的太空引力波探測(cè)器，激光干涉儀空間天線(LISA)也無(wú)法接收信號(hào)。
LIGO和其他地面探測(cè)器可以聽(tīng)到波長(zhǎng)約幾千英里的引力波，大約有地球那么大，周期從毫秒到秒不等。LISA將覆蓋數(shù)百萬(wàn)到數(shù)十億英里的波長(zhǎng)；想想地球到太陽(yáng)的距離或者地球到冥王星的距離。這些引力波的周期從幾秒到幾小時(shí)不等。
NANOGrav被設(shè)計(jì)用來(lái)聽(tīng)到的引力波頻率為納赫茲，波長(zhǎng)為萬(wàn)億英里，長(zhǎng)度為光年。根據(jù)NANOGrav的說(shuō)法，這些納赫茲的引力波可以有幾個(gè)月、幾年甚至幾十年的周期。
為了進(jìn)行這種探測(cè)，天文學(xué)家需要一個(gè)整個(gè)星系大小的引力波天線，以及一種由“宇宙時(shí)鐘”網(wǎng)絡(luò)組成的極其精確的測(cè)量時(shí)間的方法。這就是納米格拉夫的用武之地。
LIGO漢福德天文臺(tái)鳥(niǎo)瞰圖。(圖片來(lái)源:公共領(lǐng)域/LIGO漢福德天文臺(tái))
NanoGrav是如何拾取低頻波的？
通過(guò)三個(gè)射電天文臺(tái)，現(xiàn)已被摧毀的波多黎各阿雷西博天文臺(tái)，西弗吉尼亞州的綠岸望遠(yuǎn)鏡和新墨西哥州的甚大陣列，NanoGrav將銀河系內(nèi)的68顆脈沖星變成了一個(gè)巨大的引力波天線，其大小相當(dāng)于整個(gè)銀河系。這種獨(dú)特而敏感的引力波探測(cè)器被稱為脈沖星計(jì)時(shí)陣列。
像所有中子星一樣，脈沖星是在大質(zhì)量恒星耗盡其核聚變?nèi)剂蠒r(shí)形成的，這一過(guò)程中產(chǎn)生的能量向外“推動(dòng)”停止。這導(dǎo)致這些恒星的核心在自身重力下坍塌，外層在超新星爆炸中被炸掉。
恒星核心的寬度收縮到如此程度，以至于中子星的質(zhì)量大約是太陽(yáng)的兩倍，塞進(jìn)了一個(gè)不比地球上普通城市寬的物體中。由于角動(dòng)量守恒，直徑的減小還會(huì)導(dǎo)致恒星殘骸的旋轉(zhuǎn)“加速”，有些中子星的旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)每秒700次！想象一下，這就像一個(gè)花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員用手臂來(lái)增加旋轉(zhuǎn)，只是規(guī)模完全不同！
藝術(shù)家對(duì)脈沖星的描繪。(圖片來(lái)源:美國(guó)宇航局戈達(dá)德太空飛行中心)
恒星核心的坍縮還有另一個(gè)后果；原恒星的磁場(chǎng)也被壓扁了。當(dāng)磁力線更緊密地?cái)D在一起時(shí)，就會(huì)增加它們所包含的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
因此，中子星擁有已知宇宙中最強(qiáng)大的磁場(chǎng)。這些磁場(chǎng)將粒子引導(dǎo)到脈沖星的兩極，在那里它們以接近光速的速度從每一極噴出。脈沖星看起來(lái)“時(shí)開(kāi)時(shí)關(guān)”地閃爍——這就是為什么天文學(xué)家最初認(rèn)為它們是脈沖恒星——但這是這些噴流產(chǎn)生的光以令人難以置信的精確規(guī)則間隔轉(zhuǎn)向我們的結(jié)果。這意味著脈沖星可以被用作一種優(yōu)秀的計(jì)時(shí)設(shè)備。
當(dāng)引力波沖刷時(shí)空時(shí)，時(shí)空的壓縮和拉伸應(yīng)該會(huì)對(duì)脈沖星的計(jì)時(shí)產(chǎn)生明顯的影響，當(dāng)它們經(jīng)過(guò)時(shí)，要么使它們減速，要么使它們加速。這使得來(lái)自這些脈沖星的光的到達(dá)時(shí)間有非常微小的差異。由于這種影響很小，脈沖星計(jì)時(shí)陣列需要由許多分散的脈沖星組成，這些脈沖星需要被監(jiān)測(cè)多年。
對(duì)于NANOGrav來(lái)說(shuō)，耐心現(xiàn)在得到了回報(bào)，脈沖星上的這種效應(yīng)現(xiàn)在揭示了低頻信號(hào)引力波的跡象。
“基本上，地球是在光年長(zhǎng)度的引力波上擺動(dòng)的——一點(diǎn)點(diǎn)，”蘭森說(shuō)。“我們已經(jīng)使用散布在我們銀河系周圍的近70毫秒脈沖星陣列看到了這一點(diǎn)。”
這一發(fā)現(xiàn)之所以重要，是因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在已經(jīng)探測(cè)到了來(lái)自以前沒(méi)有研究過(guò)的來(lái)源的引力波。它揭示了早期宇宙充滿了超大質(zhì)量黑洞雙星。
這個(gè)問(wèn)題是因?yàn)楸M管科學(xué)家們現(xiàn)在知道大多數(shù)，如果不是全部，星系的中心有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，他們還不確定這些宇宙巨人是如何成長(zhǎng)的。一個(gè)建議的機(jī)制是隨后越來(lái)越大的黑洞雙星對(duì)之間的一系列合并。
這種低頻引力波信號(hào)暗示了一種方式，可以理解這種方式如何在早期宇宙中進(jìn)行，導(dǎo)致一些超大質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量是太陽(yáng)的數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)十億倍。
此外，因?yàn)檫@些黑洞很可能被送入死亡的螺旋舞蹈中，導(dǎo)致它們通過(guò)星系的碰撞而合并，對(duì)這種黑洞雙星合并過(guò)程的更好理解意味著對(duì)星系如何增長(zhǎng)和宇宙作為一個(gè)整體如何演變的更好理解。
銀河系大小的脈沖星計(jì)時(shí)陣列獲得的引力波信號(hào)的一小部分也有可能來(lái)自大爆炸期間時(shí)間之初產(chǎn)生的引力波，其波長(zhǎng)范圍從銀河系大小(約10萬(wàn)光年)到室女座超星系團(tuán)大小(約1億光年)。
“這太令人興奮了。NANOGrav報(bào)告的證據(jù)再次表明，引力波觀測(cè)為宇宙打開(kāi)了一個(gè)全新的窗口，”宇宙學(xué)家、霍金的長(zhǎng)期合作者托馬斯·赫托格告訴Space，他沒(méi)有參與這項(xiàng)研究。“在未來(lái)的幾年或幾十年里，我們將通過(guò)傾聽(tīng)穿過(guò)我們星球的引力波的嗡嗡聲，來(lái)非常詳細(xì)地拼湊整個(gè)宇宙的歷史。真是激動(dòng)人心的時(shí)刻！”
關(guān)于未來(lái)，Ransom解釋了NANOGrav現(xiàn)在將如何在北半球?qū)ふ乙粋€(gè)敏感的射電望遠(yuǎn)鏡，以取代2020年12月倒塌的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡。在找到之前，這項(xiàng)合作將把數(shù)據(jù)與其他脈沖星計(jì)時(shí)陣列進(jìn)行比較，以確定低頻引力波信號(hào)的來(lái)源。
“隨著持續(xù)的觀察，我們應(yīng)該開(kāi)始將單個(gè)源視為這個(gè)引力波背景之上的純音。這些來(lái)源也可以用電磁波來(lái)確定和研究——一種新型的河外多信使天文學(xué)，”蘭森總結(jié)道。“我對(duì)這一發(fā)展感到非常興奮！我們?cè)谶@方面已經(jīng)努力了超過(guò)15年，我不是一個(gè)很有耐心的人！”
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