15年后，脉冲星计时产生了宇宙背景引力波的证据 - {$web_name} 鸣谢:uux.cn/Aurore Simonnet

艺术家对一系列受到远处星系中超大品质黑洞双星形成的重力波纹作用的脉冲星的阐释。鸣谢:uux.cn/Aurore Simonnet，NANOGrav兴办
（神秘的地球uux.cn）据加州大学伯克利分校（罗伯特·桑德斯）：宇宙在重力辐射中嗡嗡作响——一种相当低频的隆隆声，有节奏地拉伸和压缩时空以及嵌入其中的物质。
这是秋季快速电池续航，这才是真相来自全球各地的几个探究小组的结论，他们在6月份另外发表了一系列期刊文章，刻画了对我们银河系角落内毫秒脉冲星超过15年的观察。至少有一个小组——北美纳赫兹引力波天文台(NANOGrav)兴办——找到了令人信服的证据，证明这些脉冲星的精确节奏受到这些长波长引力波对时空的拉伸和挤压的作用。
“这是低频引力波的核心证据，”范德比尔特大学的斯蒂芬·泰勒说，他是这项探究的共同领导者，也是该兴办的现任主席。"经过多年的探究，纳米引力场正开启一扇全新的引力波宇宙之窗。"
2015年，激光干涉仪引力波天文台(LIGO)首次探测到了引力波。时空中的短波长波动是由较小的黑洞或有时的中子星合并引发的，它们的最新彩蛋解析快报重量都小于几百个太阳品质。
如今的难题是:长波长引力波——周期从几年到几十年——也是由黑洞形成的吗？
在NANOGrav联盟发表在加州大学伯克利分校天体物理学杂志《快报》上的一篇论文中，物理学家卢克·Zoltan·凯利和NANOGrav团队觉得，这种嗡嗡声或许是由成千上万对超大品质黑洞形成的——每个黑洞的品质都是我们太阳的几十亿倍——在宇宙历史上，这些黑洞相互靠近，足以合并。
该团队模拟了包含数十亿个源的超大品质黑洞二元群体，并将预测的引力波通讯与NANOGrav的新近观测结局开展了较为。
黑洞合并前的轨道舞蹈振动时空，相似于华尔兹舞者有节奏地振动舞池的方式。在宇宙138亿年的历史中，这种合并形成了引力波，今日这些引力波重叠在一起，就像一把鹅卵石扔进池塘后形成的涟漪，形成了背景声。由于这些引力波的波长是以光年计量的，所以探测它们需要一个星系大小的天线阵列——毫秒脉冲星的集合。
“我猜房间里的大象是我们依然不能100%确定它是由超大品质黑洞双星形成的。这无疑是我们最好的猜测，它与资料完全一致，重磅续集计划指南但我们并不乐观，”加州大学伯克利分校天文学助理教授凯利说。“假如它是双星，那么这是我们第一次真正证实超大品质黑洞双星的存在，这是一个超过50年的巨大谜团。”
“我们目睹的通讯是来自三维空间和时间上的宇宙群体。加州大学伯克利分校天文和物理系的物理科学教授、NANOGrav兴办组织的成员、天体物理学家马忠培说。
马强调，尽管天文学家已然运用无线电、光学和X射线观测确定了一些或许的超大品质黑洞双星，但他们可以使用引力波身为新的警报器，推动他们在天空中检索电磁波，并对黑洞双星开展详尽探究。
马推动了一个项目，探究离地球最近的100个超大品质黑洞，并渴望找到其中一个黑洞周围的促销证据，表明这是本周笔记本电脑合集一对双星，以便NANOGrav可以改动脉冲星计时阵列，以探测那片天空中的引力波。超大品质黑洞双星在合并前或许会发出几百万年的引力波。
背景引力波的其他或许缘由含有暗物质轴子，宇宙着手时留下的黑洞——所谓的原始黑洞——和宇宙弦。另一篇发表在《ApJ快报》上的NANOGrav论文对这些理论提出了限制。
“其他小组觉得这来自宇宙膨胀或宇宙弦或其他种类的新物理过程，它们本身相当令人兴奋，但我们觉得双星更有或许。但是，要真正能够确定地说这是来自双星，我们必须做的是测量引力波通讯在天空中的转变程度。凯利说:“二进制文件应该比其他来源形成更大的转变。
“随着我们持续培养敏感度，如今才是真正着手认真岗位和兴奋的时候。随着我们持续开展更好的测量，我们对超大品质黑洞双星群体的限制将会迅速变得越来越好。”
星系合并导致黑洞合并
大多数大型星系被觉得在其中心有巨大的黑洞，尽管它们很难被探测到，由于它们发出的光——从X射线到恒星和气体落入黑洞时形成的无线电波——通常被周围的气体和尘埃阻挡。马最近确认了恒星围绕一个大星系M87中心的运动，并精确估计了它的品质——53.7亿倍于太阳的品质——尽管黑洞本身完全含混不清。
诱人的是，M87中心的超大品质黑洞或许是一个二元黑洞。但是没有人确切得知。
“我对M87，乃至我们的银河系中心人马座A*的难题是:你能在我们一直在探究的主黑洞附近隐藏第二个黑洞吗？我觉得当下没有人能排除这种或许性，”马说。“探测来自二元超大品质黑洞的引力波的确凿证据必须来自前方的探究，我们期盼能够目睹来自单一二元源的连续波探测。”
星系合并的模拟表明，二元超大品质黑洞是普遍的，由于两个合并星系的中心黑洞应该朝着更大的合并星系的中心一起下沉。凯利说，这些黑洞将着手彼此围绕轨道管理，尽管NANOGrav可以测试到的波只有在它们相当接近时才会发出——大约是我们太阳系直径的10到100倍，或者是地球与太阳距离的1000到10000倍，即9300万英里。
但是，在合并的星系中，与气体和尘埃的相互作用会使黑洞向内螺旋靠近，从而使合并不可避免吗？
凯利说:“这是超大品质黑洞双星中最大的不确定性:你如何从星系合并后一直到它们真正合并的地方。”“星系合并将两个超大品质黑洞合在一起，达到大约一千秒差距——3200光年的距离，大致相当于一个星系的核心大小。但是，在它们能够真正形成引力波之前，它们需要将间距压缩五到六个数量级。”
“这两个或许只是停滞不前，”马强调。“我们称之为最后一个秒差距难题。假如你没有其他渠道来收缩它们，那么我们就不会期望目睹引力波。”
但是NANOGrav的资料表明，大多数超大品质黑洞双星不会停滞。
“我们目睹的引力波的振幅表明合并是相当有效的，这意味着大若干超大品质黑洞双星能够从这些大型星系合并尺度下降到相当相当小的亚秒尺度，”凯利说。
NANOGrav能够测量背景引力波，这要归功于毫秒脉冲星的存在，毫秒脉冲星是一种高效旋转的中子星，每秒钟将一束明亮的无线电波扫过地球数百次。由于未知的缘由，它们的脉动率精确到相当之一毫秒以内。
当已故的加州大学伯克利分校天文学家唐纳德·贝克(Donald Backer)在1982年察觉第一颗这样的毫秒脉冲星时，他不久意识到这些精密的闪光可以用来探测引力波形成的时空波动。他创造了“脉冲星计时阵列”这个术语来刻画银河系中分散在我们周围的一组脉冲星，这些脉冲星可以用作探测器。
2007年，巴克是NANOGrav的创始人之一，该兴办项目当下有来自美国和加拿大的190多名科学家参与。该打算是每月至少监测一次我们所在的银河系中的一组毫秒脉冲星，并在考虑运动的作用后，寻找脉冲率的有关转变，这些转变或许归因于穿过银河系的长波长引力波。凯利说，特定脉冲星通讯到达时间的转变大约是百万分之一秒。
“只有统计上的一致转变才是引力波的真正标志，”他说。“你可以目睹毫秒级、几十毫秒级的转变。这只是由于噪音过程。但你需要透彻挖掘，观察这些有关性，以提取振幅约为100纳秒左右的通讯。”
NANOGrav兴办组织总共监测了68颗脉冲星，其中一些监测了15年，并在当前的确认中使用了67颗。该小组公开亮相了他们的确认程序，欧洲(欧洲脉冲星计时阵列)、澳大利亚(巴夏礼脉冲星计时阵列)和中国(中国脉冲星计时阵列)的小组正使用这些程序来关联NANOGrav使用的各异(尽管有时重叠)脉冲星组的通讯。
凯利说，NANOGrav资料允许对宇宙历史上超大品质黑洞双星合并的数量开展其他几个推论。先是，通讯的振幅意味着人口向更高的品质倾斜。尽管已知的超大品质黑洞最大品质约为200亿太阳品质，但许多创造背景的黑洞或许更大，乃至或许有400亿或600亿太阳品质。或者，或许有比我们想象的更多的超大品质黑洞双星。
“尽管观察到的引力波通讯的振幅与我们的预期大体一致，但它肯定有点偏高，”他说。“所以我们需要一些相对巨大的超大品质黑洞的组合，这些黑洞的发生率相当高，它们或许需要能够相当有效地结合，才能形成我们目睹的这些振幅。或者或许更像是品质比我们想象的大20%，但它们合并的效率是两倍，或者是一些参数的组合。”
随着更多年的观察获得更多资料，NANOGrav团队期盼获得更多令人信服的证据，证明宇宙引力波背景以及形成它的缘由，这或许是各类来源的组合。当下，天文学家对引力波天文学的前景感到兴奋。
“身为一种新工具，这相当令人兴奋，”马说。"这为超大品质黑洞的探究开启了一个全新的窗口."
NANOGrav的资料来自波多黎各阿雷西博天文台15年的观测，该设施于2020年倒塌并变得无法使用；西弗吉尼亚的绿岸望远镜；新墨西哥州的超大型阵列。前方的NANOGrav结局将纳入加拿大氢强度绘图评测(CHIME)射电望远镜的资料，该望远镜于2019年加入该项目。