超大質(zhì)量黑洞可能解開(kāi)我們宇宙的引力波“嗡嗡”之謎

發(fā)表于 2025-11-23 17:12:13 來(lái)源：桑間濮上網(wǎng)

穿越時(shí)空的重力波和發(fā)射它們的超大質(zhì)量黑洞雙星的圖解。(圖片來(lái)源:uux.cn/Aurore Simonnet，質(zhì)量宙NANOGrav合作組織)
（神秘的黑洞麗江包夜外圍外圍上門(mén)外圍女（電話微信180-4582-8235）一二線熱門(mén)城市上門(mén)真實(shí)可靠快速安排30分鐘到達(dá)地球uux.cn）據(jù)美國(guó)太空網(wǎng)（羅伯特·李）：今年早些時(shí)候，經(jīng)過(guò)15年的解開(kāi)搜索，科學(xué)家們終于聽(tīng)到了充滿我們宇宙的宇謎低頻引力波的背景嗡嗡聲。現(xiàn)在，引力搜尋這些時(shí)空漣漪源頭的嗡嗡艱苦工作可以開(kāi)始了。
目前，質(zhì)量宙這種情況下的黑洞主要嫌疑人是超大質(zhì)量黑洞對(duì)，其質(zhì)量是解開(kāi)太陽(yáng)的數(shù)百萬(wàn)倍，甚至數(shù)十億倍。宇謎然而，引力這并不意味著沒(méi)有空間給一些不尋常的嗡嗡嫌疑人，這可能會(huì)潛在地將我們引向新的質(zhì)量宙物理學(xué)。
這項(xiàng)突破是黑洞由北美納赫茲引力波天文臺(tái)(NANOGrav)合作的研究人員取得的，他們分析了68顆快速旋轉(zhuǎn)的中子星，也稱為脈沖星，它們以固定的麗江包夜外圍外圍上門(mén)外圍女（電話微信180-4582-8235）一二線熱門(mén)城市上門(mén)真實(shí)可靠快速安排30分鐘到達(dá)間隔掃過(guò)地球。這種活動(dòng)可以讓脈沖星變成一個(gè)非常精確的宇宙時(shí)鐘，稱為“脈沖星計(jì)時(shí)陣列”。
當(dāng)引力波在宇宙中波動(dòng)時(shí)，它們會(huì)導(dǎo)致空間和時(shí)間，或者時(shí)空的結(jié)構(gòu)被擠壓。圍繞這一效應(yīng)的數(shù)據(jù)可以與這些脈沖星計(jì)時(shí)陣列結(jié)合起來(lái)，最終創(chuàng)建一個(gè)可檢測(cè)的信號(hào)或“光譜”，供科學(xué)家研究。
然而，這并不是第一次探測(cè)到引力波。從2015年開(kāi)始，激光干涉儀引力波天文臺(tái)(LIGO)已經(jīng)進(jìn)行了早期的識(shí)別，但問(wèn)題是，這些識(shí)別涉及來(lái)自不同來(lái)源的更高頻率、更短波長(zhǎng)的引力波，如恒星質(zhì)量黑洞。
“NANOGrav探測(cè)到的這些引力波的最大區(qū)別在于波長(zhǎng)。這些引力波要長(zhǎng)得多，”國(guó)家射電天文臺(tái)(NRAO)天文學(xué)家、NANOGrav前任主席Scott Ransom告訴Space.com。
蘭森還將這種差異與我們熟悉的電磁頻率現(xiàn)象進(jìn)行了比較:“如果你從電磁頻譜的角度來(lái)考慮，納米格拉夫就像射電天文學(xué)，而LIGO就像X射線天文學(xué)。”
超大質(zhì)量黑洞可能解開(kāi)我們宇宙的引力波“嗡嗡”之謎

一張圖說(shuō)明了引力波光譜和在時(shí)空中搜尋這些波紋所需的探測(cè)器。(圖片鳴謝:uux.cn/NASA戈達(dá)德太空飛行中心)
這兩種引力波在波長(zhǎng)頻率上的差異是巨大的。
從這個(gè)角度來(lái)看，LIGO探測(cè)到的引力波表現(xiàn)出數(shù)千英里(或千米)長(zhǎng)的波長(zhǎng)和毫秒到秒的頻率。相比之下，NANOGrav探測(cè)到的新引力波的波長(zhǎng)在萬(wàn)億英里(或千米)的范圍內(nèi)。這與太陽(yáng)和其鄰近恒星比鄰星之間的距離相似，比鄰星的長(zhǎng)度驚人地達(dá)到20光年。另外，納米重力波長(zhǎng)的頻率是幾年而不是幾秒。
實(shí)際上，這意味著科學(xué)家需要建立超過(guò)15年的NANOGrav數(shù)據(jù)來(lái)確認(rèn)低頻引力波檢測(cè)。但是，當(dāng)它發(fā)生時(shí)，等待是值得的。
這是因?yàn)檫@些結(jié)果有能力向我們指出關(guān)于我們宇宙的新信息。
“脈沖星計(jì)時(shí)陣列實(shí)驗(yàn)肯定是長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)，你必須非常耐心，因?yàn)槲覀兊男盘?hào)會(huì)隨著時(shí)間慢慢增長(zhǎng)，”蘭森說(shuō)。“低頻引力波的探測(cè)意味著它們來(lái)自非常不同的來(lái)源，與LIGO和室女座的來(lái)源不同，后者是恒星質(zhì)量黑洞和中子星合并。”
主要懷疑對(duì)象:超大質(zhì)量黑洞雙星
Ransom是研究人員合作的一部分，他們認(rèn)為低頻引力波，包括NANOGrav探測(cè)到的引力波，可能來(lái)自一個(gè)非常不可思議的來(lái)源。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，它們可能來(lái)自成千上萬(wàn)的超大質(zhì)量黑洞配對(duì)，在138億年的宇宙歷史進(jìn)程中，它們足夠接近，以至于合并在一起。
蘭森解釋說(shuō)，引力波將來(lái)自超大質(zhì)量黑洞配對(duì)，因?yàn)檫@些物體彼此圍繞軌道運(yùn)行了幾十萬(wàn)年。但是他說(shuō)，當(dāng)電波從黑洞中竊取了足夠的角動(dòng)量，導(dǎo)致后者合并時(shí)，這種電波發(fā)射總有一天會(huì)停止。
蘭森說(shuō):“那時(shí)他們正在釋放這些巨大的重力波，并失去能量，最終他們將會(huì)相撞。”“但我們不知道有多少這樣的超大質(zhì)量黑洞雙星，我們也不知道它們有多大，所有這些都決定了你何時(shí)才能最終探測(cè)到引力波。”
超大質(zhì)量黑洞可能解開(kāi)我們宇宙的引力波“嗡嗡”之謎

一幅插圖顯示了超大質(zhì)量黑洞相互圍繞旋轉(zhuǎn)，使得時(shí)空被重力波環(huán)繞。(圖片來(lái)源:uux.cn/美國(guó)宇航局/JPL加州理工學(xué)院/SwRI/MSSS/克里斯托弗·戈)
該小組的發(fā)現(xiàn)與科學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)期望發(fā)現(xiàn)的超大質(zhì)量黑洞雙星相吻合。
“幾十年來(lái)，理論家們一直假設(shè)超大質(zhì)量黑洞雙星應(yīng)該產(chǎn)生一種信號(hào)，其特征就像NANOGrav和其他脈沖星計(jì)時(shí)陣列所看到的一樣，”西北大學(xué)理論天體物理學(xué)家兼NANOGrav研究員盧克·Zoltan·凱利告訴Space.com。“對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，超大質(zhì)量黑洞雙星是產(chǎn)生引力波背景的自然最佳猜測(cè)。”
不過(guò)，這并不意味著它已經(jīng)“結(jié)案”了。研究人員需要更多的間接證據(jù)來(lái)指出宇宙中存在超大質(zhì)量黑洞雙星這樣的重大事件。
“雙星面臨的挑戰(zhàn)是，以前沒(méi)有超大質(zhì)量黑洞雙星的例子被完全證實(shí)，所以我們實(shí)際上不能確定這些不可思議的物體是否存在，”Zoltan·凱利說(shuō)。“也就是說(shuō)，如果它們不存在，那將是一個(gè)更大的謎，因?yàn)槲覀冎佬窍蛋筚|(zhì)量黑洞，我們知道星系合并是它們進(jìn)化的正常部分。”
讓這個(gè)宇宙之謎更加復(fù)雜的是，事實(shí)上還有其他團(tuán)隊(duì)在考慮低頻引力波發(fā)射器的更奇特的嫌疑人。
(不同尋常的)嫌疑人
Zoltan·凱利向Space.com指出，除了雙星之外，在宇宙學(xué)和粒子物理學(xué)中還有許多新的模型，在適當(dāng)?shù)那闆r下，也可以產(chǎn)生類似于NANOGrav探測(cè)到的引力波背景。
“例如，軸子或‘模糊’暗物質(zhì)、宇宙弦、膨脹相變和許多其他東西，”西北大學(xué)天體物理學(xué)家說(shuō)。“這些可能性真正令人興奮的是，這些模型中的每一個(gè)都試圖解釋我們宇宙中一些最大的謎團(tuán)。”
其中包括暗物質(zhì)的性質(zhì)——一種占宇宙“物質(zhì)”約85%的物質(zhì)形式，但由于它不與光相互作用，實(shí)際上仍然不可見(jiàn)——以及大爆炸后導(dǎo)致宇宙膨脹再次加速的之謎。
“在我看來(lái)，這是雙贏。如果背景是宇宙學(xué)的，它將徹底改變我們對(duì)宇宙和基礎(chǔ)物理學(xué)的理解——這可能是科學(xué)史上最大的發(fā)現(xiàn)之一，”Zoltan·凱利繼續(xù)說(shuō)道。“相反，如果背景來(lái)自無(wú)聊的古老超大質(zhì)量黑洞雙星，那么我們就可以探索宇宙中最大質(zhì)量的物體是如何形成對(duì)并螺旋在一起，同時(shí)釋放出比大多數(shù)整個(gè)星系在其一生中更多的能量。”
幸運(yùn)的是，有一種方法可以讓科學(xué)家們確認(rèn)這些引力波的來(lái)源，特別是如果引力波在天空中有一個(gè)優(yōu)選的方向，這意味著它們從一個(gè)方向來(lái)的更強(qiáng)更亮。
“下一步是確定這些引力波來(lái)自哪里，”Zoltan·凱利說(shuō)。“我們認(rèn)為我們可以通過(guò)繪制天空不同部分振幅的差異來(lái)做到這一點(diǎn)。如果雙星產(chǎn)生了背景，那么我們希望能夠看到天空不同部分的亮度差異，而如果來(lái)源是宇宙學(xué)的——比如宇宙弦或相變——那么引力波背景應(yīng)該在整個(gè)天空中幾乎完全一致。”
西北大學(xué)的天體物理學(xué)家補(bǔ)充說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)也很高興能夠通過(guò)可能探測(cè)到最初聚集在一起形成這種引力波背景的單個(gè)黑洞來(lái)進(jìn)一步開(kāi)展這項(xiàng)研究。
“這將是一個(gè)難以置信的機(jī)會(huì)，利用傳統(tǒng)的電磁望遠(yuǎn)鏡找到這些來(lái)源，”Zoltan凱利補(bǔ)充說(shuō)。“我們正在非常努力地工作，以找出哪些類型的電磁信號(hào)將暗示活躍的星系核(AGN)或類星體中存在二元黑洞，以便我們可以開(kāi)始搜索它們。”
即使在NANOGrav研究人員最終確定低頻引力波的來(lái)源之前，僅僅探測(cè)到兩種不同的時(shí)空波動(dòng)就已經(jīng)令人震驚了。尤其令人震驚的是，在1915年的引力廣義相對(duì)論中首次預(yù)測(cè)到引力波的阿爾伯特·愛(ài)因斯坦也預(yù)測(cè)到，時(shí)空中的這些漣漪會(huì)太微弱，人類永遠(yuǎn)無(wú)法探測(cè)到。
“我認(rèn)為令人驚訝的是，天文學(xué)技術(shù)和研究的發(fā)展水平如此之高，以至于在十年內(nèi)，我們打開(kāi)了引力波宇宙的兩個(gè)完全獨(dú)立的窗口，”蘭森總結(jié)道。
NANOGrav對(duì)低頻引力波長(zhǎng)達(dá)15年的搜索細(xì)節(jié)在8月1日發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》上的一篇論文中披露。

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