每日速读!宇宙中的引力波之海

宇宙引力波背景信号被发现。

EPTA

6月29日，来自中国、北美、欧洲、澳大利亚和印度的五个独立射电天文科研小组，同时发布了一系列论文，证实在宇宙的时空中，存在着持续的引力波背景信号。这一发现是通过监测和分析存在于银河系近百颗毫秒脉冲星脉冲信号中极其细微的差异获得的。

(相关资料图)

引力波是以光速传播的时空涟漪，其本质是时空的变形。当引力波扫过地球和遥远天体之间的空间时，地球和这个天体之间的空间距离会发生变化。但这种变化极其细微。像黑洞合并这种极端事件产生的引力波到达地球，也只会让引力波探测器中的空间发生质子直径千分之一的伸缩。

然而理论上宇宙中不可能只存在由这样的极端事件产生的强引力波。许多致密的天体在时空中运行，同样会搅动时空产生引力波。但这种引力波的频率极低。现有的LIGO等探测器探测不到。能探测到这种超低频引力波的探测器，应当能够感知在光年级空间中发生的变形。

为了解决这一难题，科学家想到了脉冲星。脉冲星是恒星死亡后留下的内核。它们属于中子星，有强磁场，还能高速自转。它们能够通过磁极释出强大的电磁辐射。由于本身在高速自转，磁极又往往不与自转轴的两极重合，辐射在远处观察者的眼中就会形成周期性的脉冲。脉冲星的脉冲周期极其短促，每秒钟可达几百次；最重要的是，它们每两次脉冲之间的间隔极其精确。

脉冲星的这一特点，可以使之成为极其精确的计时器。而通过检测脉冲星信号间隔中出现的极其细微的差异，研究人员还可以知道，这颗脉冲星和地球之间的空间是否因为有引力波通过而发生了变形。基于这一原理，天文学家基于脉冲星阵列，搭建出了一台银河系般大的引力波探测器。

但要辨识出脉冲信号间的差异是极其困难的。研究人员还必须排除一切干扰，例如宇宙中星云的阻隔，地球在空间中的运行，甚至从事观测的射电望远镜所在大陆的漂移……等等。

功夫不负有心人，研究人员通过15年的持续努力，以及世界各国各地区科学家的通力合作，终于获得了首个表明宇宙中存在引力波背景信号的可信证据。中国的科研团队借助“天眼（FAST）”射电望远镜，通过3年5个月的数据收集和研究分析，为这一发现提供了极为精确的关键性证据。

研究人员这次发现的低频引力波，据信可能是由那些成双成对的超大质量黑洞，在互相围绕对方运行的过程中产生的。

超大质量黑洞多存在于星系的中心。星系的合并也会使超大质量黑洞相互靠近。它们一旦靠近就会相互围绕对方运行，并盘旋着越靠越近，最终合并。在此过程中，它们会搅动时空，产生低频引力波。和黑洞合并时产生的引力波不同，合并产生的引力波是爆发式的，而且只持续很短时间；黑洞互相围绕对方运行过程中产生的低频引力波，则能维系很久。

理论上，在宇宙大爆炸后不久的极端环境中，某些奇异的物理学现象也会产生引力波背景信号。对此研究人员表示，未来他们还将继续观测，并对观测数据进行更深入的分析，寻找更多的可能。

参考 中国天眼FAST纳赫兹引力波搜寻研究取得重大突破 https://www.cas.cn/yw/202306/t20230629_4918284.shtml EPTA announces evidence for nanohertz gravitational waves https://www.epta.eu.org/news/epta-dr2-press.html Scientists use Exotic Stars to Tune into Hum from Cosmic Symphony https://nanograv.org/news/15yrRelease

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