宇宙在引力波中嗡嗡作響，為什么科學家對這一發現如此興奮

發表于 2025-11-23 18:07:38 來源：骨軟筋酥網

遍布太空的波中亮點發出網格狀圖案(圖片來源:Aurore Simonnet，NANOGrav合作組織)
（神秘的嗡嗡濟南外圍上門外圍女（電話微信181-8279-1445）真實上門外圍上門外圍女，快速安排30分鐘到達地球uux.cn）據美國太空網（羅伯特·李）：宇宙的結構在它最早的時代就充滿了引力波，研究人員終于“聽到”了這首宇宙交響曲。作響
6月28日星期四，科學北美納赫茲引力波天文臺(NANOGrav)發現了低頻引力波，家對這是發現奮一項歷史性的突破，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到引力波。自2015年以來，嗡嗡科學家們一直在使用激光干涉儀引力波天文臺(LIGO)等設施檢測空間結構中的作響這些波紋。
因此，科學考慮到這一點，家對為什么這不是發現奮另一個無可爭議的令人印象深刻的對引力波的探測呢？答案都是關于三個相互聯系的性質:引力波的頻率、波長和周期，以及這些告訴科學家關于首次將它們發送到空間的物體和事件的信息。
什么是引力波？
阿爾伯特·愛因斯坦1915年的引力理論，廣義相對論，預測有質量的濟南外圍上門外圍女（電話微信181-8279-1445）真實上門外圍上門外圍女，快速安排30分鐘到達物體對空間和時間的結構有扭曲效應——統一為“時空”——引力源于這種扭曲。廣義相對論還提出，當物體加速時，它們應該在時空中產生波紋，這是一種我們稱之為引力波的重力輻射。當加速度涉及到超大質量黑洞和中子星這樣的大質量物體時，這種效應變得非常顯著。
引力波，像電磁輻射一樣，在一個頻率范圍內，高頻引力波，像高頻光，波長更短，能量更大，而低頻引力波波長更長，能量更小。低頻長波引力波也有很長的周期，即從一個波峰經過一個設定點到下一個波峰經過該點所需的時間。
并非所有的引力波都是平等的
6月28日宣布的發現標志著首次探測到低頻引力波。這些低頻引力波的來源被認為是非常早期宇宙中的超大質量黑洞雙星。從管弦樂隊的角度來考慮這個問題。LIGO可以聽到像碰撞和合并這樣的暴力事件發出的戲劇性的單一“撞擊”聲。NANOGrav聽到的低頻引力波信號類似于小提琴柔和的背景和聲。
這個信號的強度表明早期宇宙中存在一個數十萬甚至數百萬顆超大質量黑洞雙星的引力波管弦樂團。
“這一發現為引力宇宙打開了一個新的低頻窗口，讓我們能夠研究星系及其中央黑洞如何隨時間合并和增長，”國家射電天文臺(NRAO)天文學家Scott Ransom告訴Space.com，他是NANOGrav的大約190名科學家之一。
當黑洞和中子星相互旋轉時，它們會產生持續穩定的低頻引力波流，有效地導致時空像輕輕敲響的鐘一樣響起。當它們被發射時，引力波帶走了角動量(自旋)，這導致黑洞聚集在一起。
軌道運行的物體越近，它們發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，失去角動量的速度就越快，它們會越快地螺旋在一起，直到碰撞合并。這種猛烈的碰撞發出了一股高頻引力波，穿過太空。
此外，對于這些時空中微弱的漣漪，也有更奇特的可能解釋。這個信號的一部分可能是甚至早于這些早期黑洞對的引力波背景，來自大爆炸和宇宙本身的起源。
宇宙在引力波中嗡嗡作響，為什么科學家對這一發現如此興奮

一位藝術家描繪了碰撞的黑洞在時空結構中引起的漣漪。(圖片來源:赫特/加州理工學院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器才能“聽到”這種基于重力的輻射光譜的不同頻率。
像LIGO這樣的設施已經非常成功地探測到了由黑洞、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。
這是因為引力波的影響已經很小了，NANOGrav估計引力波對時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站不能接收低頻引力波。即使是即將到來的太空引力波探測器，激光干涉儀空間天線(LISA)也無法接收信號。
LIGO和其他地面探測器可以聽到波長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將覆蓋數百萬到數十億英里的波長；想想地球到太陽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不等。
NANOGrav被設計用來聽到的引力波頻率為納赫茲，波長為萬億英里，長度為光年。根據NANOGrav的說法，這些納赫茲的引力波可以有幾個月、幾年甚至幾十年的周期。
為了進行這種探測，天文學家需要一個整個星系大小的引力波天線，以及一種由“宇宙時鐘”網絡組成的極其精確的測量時間的方法。這就是納米格拉夫的用武之地。
宇宙在引力波中嗡嗡作響，為什么科學家對這一發現如此興奮

LIGO漢福德天文臺鳥瞰圖。(圖片來源:公共領域/LIGO漢福德天文臺)
NanoGrav是如何拾取低頻波的？
通過三個射電天文臺，現已被摧毀的波多黎各阿雷西博天文臺，西弗吉尼亞州的綠岸望遠鏡和新墨西哥州的甚大陣列，NanoGrav將銀河系內的68顆脈沖星變成了一個巨大的引力波天線，其大小相當于整個銀河系。這種獨特而敏感的引力波探測器被稱為脈沖星計時陣列。
像所有中子星一樣，脈沖星是在大質量恒星耗盡其核聚變燃料時形成的，這一過程中產生的能量向外“推動”停止。這導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，以至于中子星的質量大約是太陽的兩倍，塞進了一個不比地球上普通城市寬的物體中。由于角動量守恒，直徑的減小還會導致恒星殘骸的旋轉“加速”，有些中子星的旋轉速度高達每秒700次！想象一下，這就像一個花樣滑冰運動員用手臂來增加旋轉，只是規模完全不同！
宇宙在引力波中嗡嗡作響，為什么科學家對這一發現如此興奮

藝術家對脈沖星的描繪。(圖片來源:美國宇航局戈達德太空飛行中心)
恒星核心的坍縮還有另一個后果；原恒星的磁場也被壓扁了。當磁力線更緊密地擠在一起時，就會增加它們所包含的磁場強度。
因此，中子星擁有已知宇宙中最強大的磁場。這些磁場將粒子引導到脈沖星的兩極，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“時開時關”地閃爍——這就是為什么天文學家最初認為它們是脈沖恒星——但這是這些噴流產生的光以令人難以置信的精確規則間隔轉向我們的結果。這意味著脈沖星可以被用作一種優秀的計時設備。
當引力波沖刷時空時，時空的壓縮和拉伸應該會對脈沖星的計時產生明顯的影響，當它們經過時，要么使它們減速，要么使它們加速。這使得來自這些脈沖星的光的到達時間有非常微小的差異。由于這種影響很小，脈沖星計時陣列需要由許多分散的脈沖星組成，這些脈沖星需要被監測多年。
對于NANOGrav來說，耐心現在得到了回報，脈沖星上的這種效應現在揭示了低頻信號引力波的跡象。
“基本上，地球是在光年長度的引力波上擺動的——一點點，”蘭森說。“我們已經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。”
這一發現之所以重要，是因為我們現在已經探測到了來自以前沒有研究過的來源的引力波。它揭示了早期宇宙充滿了超大質量黑洞雙星。
這個問題是因為盡管科學家們現在知道大多數，如果不是全部，星系的中心有一個超大質量黑洞，他們還不確定這些宇宙巨人是如何成長的。一個建議的機制是隨后越來越大的黑洞雙星對之間的一系列合并。
這種低頻引力波信號暗示了一種方式，可以理解這種方式如何在早期宇宙中進行，導致一些超大質量黑洞，其質量是太陽的數百萬甚至數十億倍。
此外，因為這些黑洞很可能被送入死亡的螺旋舞蹈中，導致它們通過星系的碰撞而合并，對這種黑洞雙星合并過程的更好理解意味著對星系如何增長和宇宙作為一個整體如何演變的更好理解。
銀河系大小的脈沖星計時陣列獲得的引力波信號的一小部分也有可能來自大爆炸期間時間之初產生的引力波，其波長范圍從銀河系大小(約10萬光年)到室女座超星系團大小(約1億光年)。
“這太令人興奮了。NANOGrav報告的證據再次表明，引力波觀測為宇宙打開了一個全新的窗口，”宇宙學家、霍金的長期合作者托馬斯·赫托格告訴Space，他沒有參與這項研究。“在未來的幾年或幾十年里，我們將通過傾聽穿過我們星球的引力波的嗡嗡聲，來非常詳細地拼湊整個宇宙的歷史。真是激動人心的時刻！”
關于未來，Ransom解釋了NANOGrav現在將如何在北半球尋找一個敏感的射電望遠鏡，以取代2020年12月倒塌的阿雷西博望遠鏡。在找到之前，這項合作將把數據與其他脈沖星計時陣列進行比較，以確定低頻引力波信號的來源。
“隨著持續的觀察，我們應該開始將單個源視為這個引力波背景之上的純音。這些來源也可以用電磁波來確定和研究——一種新型的河外多信使天文學，”蘭森總結道。“我對這一發展感到非常興奮！我們在這方面已經努力了超過15年，我不是一個很有耐心的人！”

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