視點！宇宙中的引力波之海

宇宙引力波背景信號被發現。

EPTA

6月29日，來自中國、北美、歐洲、澳大利亞和印度的五個獨立射電天文科研小組，同時發布了一系列論文，證實在宇宙的時空中，存在著持續的引力波背景信號。這一發現是通過監測和分析存在于銀河系近百顆毫秒脈沖星脈沖信號中極其細微的差異獲得的。

(資料圖片)

引力波是以光速傳播的時空漣漪，其本質是時空的變形。當引力波掃過地球和遙遠天體之間的空間時，地球和這個天體之間的空間距離會發生變化。但這種變化極其細微。像黑洞合并這種極端事件產生的引力波到達地球，也只會讓引力波探測器中的空間發生質子直徑千分之一的伸縮。

然而理論上宇宙中不可能只存在由這樣的極端事件產生的強引力波。許多致密的天體在時空中運行，同樣會攪動時空產生引力波。但這種引力波的頻率極低。現有的LIGO等探測器探測不到。能探測到這種超低頻引力波的探測器，應當能夠感知在光年級空間中發生的變形。

為了解決這一難題，科學家想到了脈沖星。脈沖星是恒星死亡后留下的內核。它們屬于中子星，有強磁場，還能高速自轉。它們能夠通過磁極釋出強大的電磁輻射。由于本身在高速自轉，磁極又往往不與自轉軸的兩極重合，輻射在遠處觀察者的眼中就會形成周期性的脈沖。脈沖星的脈沖周期極其短促，每秒鐘可達幾百次；最重要的是，它們每兩次脈沖之間的間隔極其精確。

脈沖星的這一特點，可以使之成為極其精確的計時器。而通過檢測脈沖星信號間隔中出現的極其細微的差異，研究人員還可以知道，這顆脈沖星和地球之間的空間是否因為有引力波通過而發生了變形。基于這一原理，天文學家基于脈沖星陣列，搭建出了一臺銀河系般大的引力波探測器。

但要辨識出脈沖信號間的差異是極其困難的。研究人員還必須排除一切干擾，例如宇宙中星云的阻隔，地球在空間中的運行，甚至從事觀測的射電望遠鏡所在大陸的漂移……等等。

功夫不負有心人，研究人員通過15年的持續努力，以及世界各國各地區科學家的通力合作，終于獲得了首個表明宇宙中存在引力波背景信號的可信證據。中國的科研團隊借助“天眼（FAST）”射電望遠鏡，通過3年5個月的數據收集和研究分析，為這一發現提供了極為精確的關鍵性證據。

研究人員這次發現的低頻引力波，據信可能是由那些成雙成對的超大質量黑洞，在互相圍繞對方運行的過程中產生的。

超大質量黑洞多存在于星系的中心。星系的合并也會使超大質量黑洞相互靠近。它們一旦靠近就會相互圍繞對方運行，并盤旋著越靠越近，最終合并。在此過程中，它們會攪動時空，產生低頻引力波。和黑洞合并時產生的引力波不同，合并產生的引力波是爆發式的，而且只持續很短時間；黑洞互相圍繞對方運行過程中產生的低頻引力波，則能維系很久。

理論上，在宇宙大爆炸后不久的極端環境中，某些奇異的物理學現象也會產生引力波背景信號。對此研究人員表示，未來他們還將繼續觀測，并對觀測數據進行更深入的分析，尋找更多的可能。

參考 中國天眼FAST納赫茲引力波搜尋研究取得重大突破 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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