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宇宙在引力波中嗡嗡作響，為什么科學(xué)家對這一發(fā)現(xiàn)如此興奮

發(fā)表于 2025-12-12 02:03:52 來源：骨軟筋酥網(wǎng)

宇宙在引力波中嗡嗡作響，宇宙引力為什么科學(xué)家對這一發(fā)現(xiàn)如此興奮

遍布太空的波中亮點(diǎn)發(fā)出網(wǎng)格狀圖案(圖片來源:Aurore Simonnet，NANOGrav合作組織)
（神秘的嗡嗡杭州外圍模特經(jīng)紀(jì)人（外圍預(yù)約）（微信199-7144-9724）提供1-2線城市高端外圍預(yù)約快速安排30分鐘到達(dá)地球uux.cn）據(jù)美國太空網(wǎng)（羅伯特·李）：宇宙的結(jié)構(gòu)在它最早的時(shí)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(xué)北美納赫茲引力波天文臺(NANOGrav)發(fā)現(xiàn)了低頻引力波，家對這是發(fā)現(xiàn)奮一項(xiàng)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(xué)家們一直在使用激光干涉儀引力波天文臺(LIGO)等設(shè)施檢測空間結(jié)構(gòu)中的作響這些波紋。
因此，科學(xué)考慮到這一點(diǎn)，家對為什么這不是發(fā)現(xiàn)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(guān)于三個相互聯(lián)系的性質(zhì):引力波的頻率、波長和周期，以及這些告訴科學(xué)家關(guān)于首次將它們發(fā)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(yù)測有質(zhì)量的杭州外圍模特經(jīng)紀(jì)人（外圍預(yù)約）（微信199-7144-9724）提供1-2線城市高端外圍預(yù)約快速安排30分鐘到達(dá)物體對空間和時(shí)間的結(jié)構(gòu)有扭曲效應(yīng)——統(tǒng)一為“時(shí)空”——引力源于這種扭曲。廣義相對論還提出，當(dāng)物體加速時(shí)，它們應(yīng)該在時(shí)空中產(chǎn)生波紋，這是一種我們稱之為引力波的重力輻射。當(dāng)加速度涉及到超大質(zhì)量黑洞和中子星這樣的大質(zhì)量物體時(shí)，這種效應(yīng)變得非常顯著。
引力波，像電磁輻射一樣，在一個頻率范圍內(nèi)，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(jīng)過一個設(shè)定點(diǎn)到下一個波峰經(jīng)過該點(diǎn)所需的時(shí)間。
并非所有的引力波都是平等的
6月28日宣布的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著首次探測到低頻引力波。這些低頻引力波的來源被認(rèn)為是非常早期宇宙中的超大質(zhì)量黑洞雙星。從管弦樂隊(duì)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(fā)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(qiáng)度表明早期宇宙中存在一個數(shù)十萬甚至數(shù)百萬顆超大質(zhì)量黑洞雙星的引力波管弦樂團(tuán)。
“這一發(fā)現(xiàn)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(shí)間合并和增長，”國家射電天文臺(NRAO)天文學(xué)家Scott Ransom告訴Space.com，他是NANOGrav的大約190名科學(xué)家之一。
當(dāng)黑洞和中子星相互旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們會產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的低頻引力波流，有效地導(dǎo)致時(shí)空像輕輕敲響的鐘一樣響起。當(dāng)它們被發(fā)射時(shí)，引力波帶走了角動量(自旋)，這導(dǎo)致黑洞聚集在一起。
軌道運(yùn)行的物體越近，它們發(fā)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(fā)出了一股高頻引力波，穿過太空。
此外，對于這些時(shí)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(xué)家對這一發(fā)現(xiàn)如此興奮

宇宙在引力波中嗡嗡作響，為什么科學(xué)家對這一發(fā)現(xiàn)如此興奮

一位藝術(shù)家描繪了碰撞的黑洞在時(shí)空結(jié)構(gòu)中引起的漣漪。(圖片來源:赫特/加州理工學(xué)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(yuǎn)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(shè)施已經(jīng)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?yàn)橐Σǖ挠绊懸呀?jīng)很小了，NANOGrav估計(jì)引力波對時(shí)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(shù)百萬到數(shù)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(shí)不等。
NANOGrav被設(shè)計(jì)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(jù)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(jìn)行這種探測，天文學(xué)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(shí)鐘”網(wǎng)絡(luò)組成的極其精確的測量時(shí)間的方法。這就是納米格拉夫的用武之地。
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LIGO漢福德天文臺鳥瞰圖。(圖片來源:公共領(lǐng)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(xiàn)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(yuǎn)鏡和新墨西哥州的甚大陣列，NanoGrav將銀河系內(nèi)的68顆脈沖星變成了一個巨大的引力波天線，其大小相當(dāng)于整個銀河系。這種獨(dú)特而敏感的引力波探測器被稱為脈沖星計(jì)時(shí)陣列。
像所有中子星一樣，脈沖星是在大質(zhì)量恒星耗盡其核聚變?nèi)剂蠒r(shí)形成的，這一過程中產(chǎn)生的能量向外“推動”停止。這導(dǎo)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(zhì)量大約是太陽的兩倍，塞進(jìn)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(dǎo)致恒星殘骸的旋轉(zhuǎn)“加速”，有些中子星的旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)每秒700次！想象一下，這就像一個花樣滑冰運(yùn)動員用手臂來增加旋轉(zhuǎn)，只是規(guī)模完全不同！
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藝術(shù)家對脈沖星的描繪。(圖片來源:美國宇航局戈達(dá)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(dāng)磁力線更緊密地?cái)D在一起時(shí)，就會增加它們所包含的磁場強(qiáng)度。
因此，中子星擁有已知宇宙中最強(qiáng)大的磁場。這些磁場將粒子引導(dǎo)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(shí)開時(shí)關(guān)”地閃爍——這就是為什么天文學(xué)家最初認(rèn)為它們是脈沖恒星——但這是這些噴流產(chǎn)生的光以令人難以置信的精確規(guī)則間隔轉(zhuǎn)向我們的結(jié)果。這意味著脈沖星可以被用作一種優(yōu)秀的計(jì)時(shí)設(shè)備。
當(dāng)引力波沖刷時(shí)空時(shí)，時(shí)空的壓縮和拉伸應(yīng)該會對脈沖星的計(jì)時(shí)產(chǎn)生明顯的影響，當(dāng)它們經(jīng)過時(shí)，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(dá)時(shí)間有非常微小的差異。由于這種影響很小，脈沖星計(jì)時(shí)陣列需要由許多分散的脈沖星組成，這些脈沖星需要被監(jiān)測多年。
對于NANOGrav來說，耐心現(xiàn)在得到了回報(bào)，脈沖星上的這種效應(yīng)現(xiàn)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(diǎn)點(diǎn)，”蘭森說。“我們已經(jīng)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(diǎn)。”
這一發(fā)現(xiàn)之所以重要，是因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在已經(jīng)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(zhì)量黑洞雙星。
這個問題是因?yàn)楸M管科學(xué)家們現(xiàn)在知道大多數(shù)，如果不是全部，星系的中心有一個超大質(zhì)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(jī)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(jìn)行，導(dǎo)致一些超大質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量是太陽的數(shù)百萬甚至數(shù)十億倍。
此外，因?yàn)檫@些黑洞很可能被送入死亡的螺旋舞蹈中，導(dǎo)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(jì)時(shí)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(shí)間之初產(chǎn)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(tuán)大小(約1億光年)。
“這太令人興奮了。NANOGrav報(bào)告的證據(jù)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(xué)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(xiàng)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(xì)地拼湊整個宇宙的歷史。真是激動人心的時(shí)刻！”
關(guān)于未來，Ransom解釋了NANOGrav現(xiàn)在將如何在北半球?qū)ふ乙粋€敏感的射電望遠(yuǎn)鏡，以取代2020年12月倒塌的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡。在找到之前，這項(xiàng)合作將把數(shù)據(jù)與其他脈沖星計(jì)時(shí)陣列進(jìn)行比較，以確定低頻引力波信號的來源。
“隨著持續(xù)的觀察，我們應(yīng)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(xué)，”蘭森總結(jié)道。“我對這一發(fā)展感到非常興奮！我們在這方面已經(jīng)努力了超過15年，我不是一個很有耐心的人！”

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