利用星系大小的探測(cè)器，天文學(xué)家探測(cè)到來(lái)自超大質(zhì)量黑洞對(duì)的引力波 _星系

利用星系大小的探測(cè)器，天文學(xué)家探測(cè)到來(lái)自超大質(zhì)量黑洞對(duì)的引力波。鳴謝:奧茲格拉夫/史文朋/卡爾·諾克斯
據(jù)《對(duì)話》（丹尼爾·里爾登和安德魯·齊克）：當(dāng)黑洞和其他質(zhì)量巨大、密度高的物體相互旋轉(zhuǎn)時(shí) ，它們會(huì)在空間和時(shí)間中發(fā)出被稱為引力波的波紋。這些波是我們研究創(chuàng)造它們的神秘宇宙巨人的少數(shù)方法之一。
天文學(xué)家已經(jīng)觀察到碰撞黑洞的高頻“啁啾聲”，但超大質(zhì)量黑洞圍繞另一個(gè)黑洞運(yùn)行的超低頻隆隆聲已被證明更難檢測(cè) 。幾十年來(lái) ，我們一直在觀察脈沖星，一種像燈塔一樣發(fā)出脈沖的恒星，以尋找這些波的微弱波動(dòng) 。
今天，世界各地的脈沖星研究合作——包括我們的巴夏禮脈沖星計(jì)時(shí)陣列——宣布了他們迄今為止證明這些波存在的最有力證據(jù) 。
什么是引力波？
1915年，德國(guó)出生的物理學(xué)家阿爾伯特·愛(ài)因斯坦提出了對(duì)引力本質(zhì)的突破性見(jiàn)解:廣義相對(duì)論。
該理論將宇宙描述為一個(gè)名為時(shí)空的四維“結(jié)構(gòu)”，可以拉伸、擠壓、彎曲和扭曲。巨大的物體扭曲了這種結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了重力。
該理論的一個(gè)奇怪的結(jié)果是，大質(zhì)量物體的運(yùn)動(dòng)應(yīng)該在這種結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生漣漪，稱為引力波，以光速傳播。
產(chǎn)生這些微小的漣漪需要巨大的能量。由于這個(gè)原因，愛(ài)因斯坦確信引力波永遠(yuǎn)不會(huì)被直接觀測(cè)到。
一個(gè)世紀(jì)后，來(lái)自LIGO和處女座合作的研究人員目睹了兩個(gè)黑洞的碰撞，這導(dǎo)致了引力波的爆發(fā) ，在整個(gè)宇宙中啁啾。
現(xiàn)在，在這一發(fā)現(xiàn)的七年后，來(lái)自澳大利亞、中國(guó)、歐洲、印度和北美的射電天文學(xué)家已經(jīng)找到了超低頻引力波的證據(jù) 。
引力波緩慢的隆隆聲
與2016年報(bào)道的引力波突然爆發(fā)不同，這些超低頻引力波需要數(shù)年甚至數(shù)十年才能振蕩。
它們被認(rèn)為是由成對(duì)的超大質(zhì)量黑洞產(chǎn)生的，圍繞著宇宙中遙遠(yuǎn)星系的核心運(yùn)行。為了找到這些引力波，科學(xué)家們需要建造一個(gè)星系大小的探測(cè)器。
或者我們可以使用脈沖星，它們已經(jīng)遍布銀河系，其脈沖以精確時(shí)鐘的規(guī)則性到達(dá)我們的望遠(yuǎn)鏡。
CSIRO的巴夏禮射電望遠(yuǎn)鏡Murriyang已經(jīng)對(duì)這些脈沖星陣列進(jìn)行了近20年的觀測(cè) 。我們的巴夏禮脈沖星計(jì)時(shí)陣列團(tuán)隊(duì)是世界各地幾個(gè)合作伙伴之一，他們今天在最新的數(shù)據(jù)集中宣布了引力波的跡象。
在中國(guó)(CPTA)、歐洲和印度(EPTA和印度)，以及北美(NANOGrav)的其他合作也看到了類似的信號(hào) 。

當(dāng)引力波扭曲地球周圍的時(shí)空時(shí)，它們會(huì)扭曲來(lái)自遙遠(yuǎn)脈沖星的無(wú)線電波的到達(dá)時(shí)間。鳴謝:奧茲格拉夫/史文朋/卡爾·諾克斯
我們正在尋找的信號(hào)是宇宙中所有超大質(zhì)量黑洞對(duì)產(chǎn)生的隨機(jī)引力波“海洋” 。
觀察這些波不僅是愛(ài)因斯坦理論的另一個(gè)勝利，而且對(duì)我們理解宇宙中星系的歷史有著重要的意義。超大質(zhì)量黑洞是星系中心的引擎，以氣體為食，調(diào)節(jié)恒星的形成。
信號(hào)表現(xiàn)為低頻隆隆聲，是陣列中所有脈沖星共有的。當(dāng)引力波沖刷地球時(shí) ，它們會(huì)影響脈沖星的表觀自轉(zhuǎn)速率。
這些波對(duì)我們星系的拉伸和擠壓最終只會(huì)改變到脈沖星的距離幾十米。當(dāng)脈沖星通常距離我們大約1000光年時(shí)，這并不算多(大約是100億米) 。
值得注意的是，我們可以觀察到這些脈沖的納秒延遲的時(shí)空變化，射電天文學(xué)家可以相對(duì)容易地跟蹤這些變化，因?yàn)槊}沖星是如此穩(wěn)定的天然時(shí)鐘。
宣布了什么？
因?yàn)槌皖l引力波需要數(shù)年才能振蕩，所以信號(hào)預(yù)計(jì)會(huì)慢慢出現(xiàn) 。
首先，射電天文學(xué)家在脈沖星中觀察到一種常見(jiàn)的隆隆聲，但其來(lái)源不明。
現(xiàn)在，引力波的獨(dú)特指紋開(kāi)始作為這一信號(hào)的屬性出現(xiàn)，由世界各地的每一個(gè)脈沖星計(jì)時(shí)陣列合作觀察到。
這個(gè)指紋描述了脈沖延遲的相似性和天空中脈沖星對(duì)之間的分離角之間的特定關(guān)系。
這種關(guān)系的出現(xiàn)是因?yàn)榈厍蛏系臅r(shí)空被拉長(zhǎng)了，以一種依賴于脈沖星方向的方式改變了它們與脈沖星的距離。舉例來(lái)說(shuō)，天空中相互靠近的脈沖星比以直角分開(kāi)的脈沖星顯示出更相似的信號(hào) 。
我們天文臺(tái)改進(jìn)的技術(shù)使這一突破成為可能。由于安裝在Murriyang上的先進(jìn)接收器和信號(hào)處理技術(shù)，巴夏禮脈沖星計(jì)時(shí)陣列擁有最長(zhǎng)的高質(zhì)量數(shù)據(jù)集。這項(xiàng)技術(shù)使望遠(yuǎn)鏡能夠發(fā)現(xiàn)許多全球合作用于引力波搜索的最佳脈沖星。
我們和其他人合作的早期結(jié)果顯示，脈沖星觀測(cè)中缺少預(yù)期的引力波信號(hào) 。
現(xiàn)在，我們似乎相對(duì)清晰地看到了這個(gè)信號(hào) 。通過(guò)將我們的長(zhǎng)數(shù)據(jù)集分割成更短的“時(shí)間片” ，我們顯示信號(hào)似乎隨著時(shí)間而增長(zhǎng) 。這一觀察的潛在原因尚不清楚，但它可能是引力波的行為出乎意料。
超低頻引力波的新證據(jù)令天文學(xué)家興奮不已。為了確認(rèn)這些簽名，全球合作將需要結(jié)合他們的數(shù)據(jù)集，這將增加他們對(duì)引力波的敏感度許多倍。
國(guó)際脈沖星計(jì)時(shí)陣列項(xiàng)目正在努力制作這一組合數(shù)據(jù)集，該項(xiàng)目成員上周在昆士蘭州北部的道格拉斯港舉行了會(huì)議。未來(lái)的觀測(cè)站，像澳大利亞和南非正在建設(shè)的平方公里陣列，將把這些研究變成關(guān)于我們宇宙歷史的豐富知識(shí)來(lái)源。

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利用星系大小的探測(cè)器，天文學(xué)家探測(cè)到來(lái)自超大質(zhì)量黑洞對(duì)的引力波