周三晚上，一个国际研究合作联盟揭示了令人信服的证据引力波的低音嗡嗡声的存在 响彻整个宇宙。
科学家们强烈怀疑这些引力波是成对超大质量黑洞的集体回声——它们有数千个，其中一些质量相当于十亿个太阳，位于远达 100 亿光年远的古代星系的中心——因为它们慢慢地传播。融合，在时空中产生涟漪。
“我喜欢把它想象成一个合唱团，或者一个管弦乐队，”俄勒冈州立大学的物理学家泽维尔·西门子说，他是北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）合作组织的成员，该合作组织领导了这项工作。 西门子博士说，每对超大质量黑洞都会产生不同的信号，“我们收到的是所有这些信号同时发出的总和。”
在 NANOGrav 开始采集数据 15 年多之后，这一发现备受期待。 科学家表示，到目前为止，结果与阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论一致，该理论描述了物质和能量如何扭曲时空以产生我们所说的引力。 随着更多数据的收集，这种宇宙嗡嗡声可以帮助研究人员了解宇宙如何形成目前的结构，并可能揭示 137 亿年前大爆炸后不久可能存在的奇异物质类型。
“引力波背景总是最响亮、最明显的东西，”耶鲁大学天体物理学家、NANOGrav 成员 Chiara Mingarelli 说。 “这实际上只是观察宇宙的全新方式的开始。”
明加雷利博士说，引力波是由任何旋转的物体产生的，比如旋转的恒星残骸、绕轨道运行的黑洞，甚至是两个人“做do-si-do”。 但与其他类型的波不同的是，这些涟漪会拉伸和挤压时空结构，扭曲它们经过的任何天体之间的距离。
“这听起来很科幻，”明加雷利博士说。 “但这是真的。”
引力波是 2016 年首次检测到可听见的鸣叫声 由激光干涉仪引力波天文台 (LIGO) 合作； 这一突破巩固了爱因斯坦的广义相对论作为宇宙的精确模型，并为该项目的创始人赢得了声誉 2017年诺贝尔物理学奖。 但 LIGO 的信号大多在几百赫兹的频率范围内，并且是由质量为太阳 10 到 100 倍的一对黑洞或中子星产生的。
相比之下，参与这项工作的研究人员正在寻找频率低得多的集体嗡嗡声（十亿分之一赫兹，远低于可听范围），同时从各处发出。
明加雷利博士说，在最低频率下，这种嗡嗡声是如此之大，“它可能来自超大质量黑洞双星的宇宙合并历史中的数十万甚至一百万个重叠信号。”
该信号是通过研究称为脉冲星的快速旋转恒星的行为而发现的，所采用的方法在 1993 年为两位科学家赢得了 诺贝尔物理学奖 用于间接测量引力波的影响。
NANOGrav团队同步发表 《天体物理学杂志快报》中的四项研究，以及预印本服务器 arXiv.org 上的另外两篇论文，详细介绍了数据的收集和分析以及结果的不同解释。
如果信号确实是由绕轨道运行的超大质量黑洞对产生的，那么研究引力波背景将有助于了解这些系统及其周围星系的演化历史。 但引力波背景也可能来自其他东西，比如假设的时空裂缝，即宇宙弦。
或者它可能是大爆炸的遗迹，类似于宇宙微波背景，在宇宙诞生后的 40 万年内，它导致了关于宇宙结构的基本发现。 明加雷利博士说，引力波背景将是一个更好的原始探测器，因为它几乎是瞬间发射的。
为了探测引力波背景，研究人员分析了脉冲星的灯塔性质。 这些物体就像宇宙钟一样，发射无线电波束，可以在地球上定期测量。 爱因斯坦的广义相对论预测，当引力波扫过脉冲星时，它们应该会扩大和缩小这些物体与地球之间的距离，从而改变无线电信号到达观察者所需的时间。 如果引力波背景确实无处不在，那么整个宇宙的脉冲星应该会受到相关的影响。
NANOGrav 团队没有建造专用仪器，而是利用了世界各地现有的射电望远镜：新墨西哥州的甚大阵列、西弗吉尼亚州的绿岸望远镜和波多黎各的阿雷西博天文台（在其致命的崩溃之前 三年前）。
2020 年，NANOGrav 团队经过 12 年多的数据收集 公布结果 通过监测 45 颗脉冲星的计时。 西门子博士说，即使在那时，研究人员也看到了引力波背景的诱人暗示，但他们需要在更长的时间内跟踪更多的脉冲星，以确认它们确实相关，并宣布一项发现。 因此，NANOGrav 团队通过以下方式与同事们取得联系： 国际脉冲星计时阵列 – 一个伞式组织，包括印度、欧洲、中国和澳大利亚的合作组织 – 并协调共同揭示引力波背景的努力。
快进到周三：每个合作现在都发布独立收集的数据的结果，所有这些都支持引力波背景的存在。 NANOGrav 团队拥有最大的数据集，对 67 颗脉冲星进行了 15 年的测量，每颗脉冲星的监测时间至少为三年。
研究结果的置信度在 3.5 至 4 西格玛范围内，略低于物理学家普遍预期的 5 西格玛标准，以证明这一发现是确凿无疑的。 明加雷利博士说，这意味着随机看到这样结果的几率约为 1,000 年之一。 “这对我来说已经足够了，但其他人想要百万年一次，”她说。 “我们最终会到达那里。”
没有参与这项工作的密歇根大学天体物理学家马塞尔·苏亚雷斯-桑托斯承认，虽然这是早期证据，但结果很诱人。 她说：“这是社区期待已久的事情。”她补充说，其他脉冲星授时合作机构的独立测量结果强化了这一发现。
不过，苏亚雷斯-桑托斯博士表示，现在判断引力波背景可能对未来研究产生什么影响还为时过早。 如果信号确实来自超大质量黑洞的缓慢向内螺旋，正如许多 NANOGrav 合作者所相信的那样，它将增强科学家对早期星系合并方式的理解，形成越来越大的恒星和尘埃系统，最终定居在复杂的星系中。今天观察到的结构。
但如果这些涟漪起源于大爆炸，它们可能会提供对宇宙膨胀或暗物质本质的洞察——科学家认为暗物质是把宇宙维系在一起的无形粘合剂——甚至可能揭示曾经存在的新粒子或力量。 （专家指出，引力波背景也可能来自多个来源，在这种情况下，挑战将是弄清楚有多少来自哪里。）
NANOGrav 团队已经开始分析世界各地引力波合作的所有数据，相当于 115 颗脉冲星大约 25 年的测量数据。 西门子博士表示，这些结果将在一年左右的时间内公布，并补充说，他预计这些结果将超过 5 西格玛的发现水平。
但可能还需要几年的时间才能确认引力波背景的来源。 研究人员已经开始利用他们的数据拼凑出宇宙地图，并寻找表明单个超大质量黑洞双星的强烈的、附近的引力波信号区域。 明加雷利博士说，这就是乐趣的开始。他期待着分析这些地图并寻找更奇特的现象，如银河喷流、宇宙弦或虫洞。
苏亚雷斯-桑托斯博士将其与 20 世纪 60 年代宇宙微波背景的发现进行了比较，后者从此改变了物理学家对早期宇宙的认识，他说：“这可能会带来真正突破性的成果。” “我们还不知道它会产生什么影响，但这肯定会成为引力波书中的新篇章。 看起来我们正在看着这本书被写出来。”
丹尼斯·奥弗拜 贡献了报告。