超大质量黑洞可以解决我们宇宙的引力波“嗡嗡声”的秘密

(2023-08-13 15:45:23)

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超大质量黑洞可以解决我们宇宙的引力波“嗡嗡声”的秘密

By Robert Lea

2023/8/13

Science & Astronomy

科学家的最近的低频引力波的探测可能揭示什么正在造成空间和时间的织造中一个恒定的涟漪的轰隆声。

引力波铃响过空时以及可能已经发射它们的超大质量黑洞双的描画。 (Image credit: Aurore Simonnet for the NANOGrav Collaboration)

今年更早些时候，在15年的搜索后科学家们终于听到了充满我们宇宙的低频引力波的背景嗡嗡声。现在，搜索空时中这些涟漪的来源的艰苦工作能开始。

目前，本案的主要嫌疑是有太阳质量数百万倍甚至数十亿倍的超大质量黑洞配对。然而，这并不意味着没有一些不寻常的嫌疑的空间，这可能潜在的把我们指向新的物理学。

这一突破被北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）合作的研究人员弄成，他们分析了68颗也称为脉冲星的快速旋转的中子星以定期间隔扫过地球上空的辐射。这种活动允许脉冲星被变成一个非常精确的叫一个“脉冲星计时阵列”的宇宙钟。

随引力波在整个宇宙中涟漪，它们造成空间和时间的织造或时空来冲挤和挤压。围绕这种效应的数据能与那些脉冲星定时阵列的相结合最终来创建一个可探测的信号或“光谱”供科学家研究。

然而，这并不是引力波已经第一次被探测到。从2015年开始，激光干涉仪引力波天文台（LIGO）已经做出了先前的识别，但事情是这些涉及来自不同来源如恒星质量黑洞的更高频率、更短波长的引力波。

国家射电天文台（NRAO）天文学家、北美纳赫兹引力波天文台前主席司各特蓝瑟姆告诉太空网站， “设定这些引力波被北美纳赫兹引力波天文台分开探测到的最大东西是波长。这些引力波远更长“。

蓝瑟姆还将这种差异与熟悉的电磁频率现象比较，“如果你按电磁频谱考虑它，北美纳赫兹引力波天文台就像是射电天文学，激光干涉仪引力波天文台就像X射线天文学”。

说明引力波谱和在空时中狩猎这些涟漪所需的探测器的一张图。 (Image credit: NASA Goddard Space Flight Center)

两种引力波之间的波长频率差异是巨大的。

放进这个角度，由激光干涉仪引力波天文台探测到的引力波表达长度为数千英里（或公里）的波长，把持频率数毫秒到秒。相比之下，由北美纳赫兹引力波天文台探测到的新引力波的波长有一个数万亿英里（或公里）尺度上的波长。这类似于太阳和它的邻近恒星比邻星之间的距离，一个惊人的长度为20光年。此外，北美纳赫兹引力波天文台引力波长有在数年尺度上的频率而不仅仅是几秒钟。

实际上，这意味着科学家需要来建立超过15年的北美纳赫兹引力波天文台数据来确认一个低频引力波探测。但是，当它发生时它是值得等待的。

这是因为这些结果有能力为我们指向关于我们宇宙的新信息。

蓝瑟姆说，“脉冲星定时阵列实验绝对是长期实验，你必须非常耐心，因为我们的信号缓慢随着时间增长，低频引力波的探测意味着它们来自与激光干涉仪引力波天文台和处女座源非常不同的来源，它们是恒星质量黑洞和中子星合并”。

主要嫌疑：超大质量黑洞双

蓝瑟姆是相信低频引力波包括由北美纳赫兹引力波天文台探测到的引力波可能源自一个非常相当难以置信的来源的研究人员合作的一部分。研究小组争论，它们可能来自在138亿年的宇宙历史过程中数十万个超大质量黑洞配对，它们走的足够一起接近它们已经合并。

蓝瑟姆解释说，引力波将来自超大质量黑洞配对，因为这些天体彼此环绕数十万年。但他说这种波发射总有一天停止，当波从黑洞窃取了足够的角动量来造成后者合并时。

蓝瑟姆说，“那是当它们正在泵出这些大、大质量的引力波并失去它们能量的时候，这样最终它们要碰撞，但我们不知道在那里有多少这样的超大质量黑洞双，我们不知道它们有多大质量，所有这些都决定你何时最终能探测到引力波”。

一幅显示超大质量黑洞围绕彼此涡旋用引力波设定空时响铃的描画。 (Image credit: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Christopher Go)

该团队的探测结果与科学家长期以来期望来发现的超大质量黑洞双匹配。

西北大学理论天体物理学家和北美纳赫兹引力波天文台研究员卢克佐尔坦凯里告诉太空网站，“几十年来，理论家一直假设超大质量黑洞双应该产生一个有就像北美纳赫兹引力波天文台和其他脉冲星定时阵列正在看到的特征一样的信号，对大多数社区，超大质量黑洞双是一个正在产生引力波背景的自然最佳猜测”。

不过，这并不意味着它被“结案”。研究人员需要不仅仅是间接证据来指向某些像我们宇宙中超大质量黑洞双存在这样重要的东西。

佐尔坦凯里说，“双的挑战是以前没有一个超大质量黑洞双的例子已经被完全的证实，因此我们实际上并不确定知道这些令人难以置信的天体存在，这就像是说如果它们不存在那会是一个更大的难题，因为我们知道星系包含超大质量黑洞，我们知道星系作为一个它们演化的正常部分合并”。

混淆这个宇宙秘密的是关于这个案例有其他记住怀疑更异域低频引力波发射器团队的事实。

（不）常见的嫌疑

佐尔坦·凯里向太空网站指出，除了双之外，在宇宙学和粒子物理学中有许多新模型，在适当的情况下，可能也产生被北美纳赫兹引力波天文台探测到的类似的引力波背景。

西北天体物理学家说，“例如，轴子或'模糊的'暗物质、宇宙弦、膨胀相变等等，关于这些可能性真正令人兴奋的是这些模型中的每一个都是一个解释我们宇宙中一些最大的当前秘密的试图”。这些包括暗物质的性质------一种占宇宙中“物质”的85%左右物质的形式，但因为它不与光相互作用仍然的有效的不可见------以及已经造成宇宙的膨胀在大爆炸后再次开始加速的困惑。

佐尔坦·凯里继续说道，“以我来看，这是一个双赢。如果背景是宇宙学的，它将彻底改变我们的宇宙和基础物理学的理解------潜在的是科学史上最大的发现之一，如果相反，如果背景来自无聊的旧超大质量黑洞双，那么我们就可以来探索宇宙中质量最大的天体如何能够来形成对并一起螺旋同时发射出比大多数整个星系在它们一生中做的更多的能量”。

幸运的是，有一种其中科学家能够确认这些引力波的来源的方法，特别是如果这些波在天空中有一个首选的方向，这意味着它们从一个方向来自更强、更亮。

佐尔坦·凯里说，“下一步是对某些这些引力波正在来自地方的确定，我们认为我们通过映射跨天空不同部分它们的振幅差异做这个。如果双正在产生背景，那么我们希望能够来看到只来自天空不同部分的亮度差异，而如果源是宇宙学的------如宇宙弦或相变------那么引力波背景应该是跨天空几乎完美均匀的”。
西北天体物理学家补充说，该团队也很高兴关于让这项调查更进一步，通过可能的检测到首位一起来使这个引力波背景成为可能的单个黑洞。

佐尔坦·凯里补充道，“这将是用传统电磁望远镜来发现这些来源的一个难以置信的机会，我们正工作在弄清楚哪些类型的电磁签名会暗示在一个活跃星系核（AGN）内或类星体内存在一个双黑洞，以便我们能开始搜索它们”。