宏大的引力波映射研究发现这个宇宙的织造被“倾向一边”

(2024-12-26 18:32:32)

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一项新的来映射空时中被巨大黑洞碰撞造成的隆隆声的努力描绘一幅令人惊讶的这个宇宙的响亮和倾向一边的图片。

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(Image credit: Carl Knox, OzGrav, Swinburne University of Technology and South African Radio Astronomy Observatory (SARAO))

用从来制造的最大的引力波探测器，我们已经证实这个宇宙的织造正在恒定的振动的早期报道。这种背景隆隆声可能被居住在星系中心的巨大黑洞之间的碰撞造成。

来自我们的探测器——一个跨星系分布的快速自旋中子星的阵列的结果表明这种“引力波背景”可能比以前想的更响亮。我们还已经制作了又最详细的跨天空的引力波映射，并在南半球中发现了一个有趣的活动“热点”。

我们的研究今天发表在《皇家天文学会月刊》上的三篇论文中。

空间和时间中的涟漪

引力波是在空间和时间的织造中的涟漪。它们被当难以置信密和大质量天体环绕彼此或与彼此碰撞时创造。

宇宙中最密和最大质量的天体是黑洞，死亡恒星的残骸。来研究黑洞的唯一方法是通过寻找当它们移动靠近彼此时发射的引力波。

就像光一样，引力波被在光谱中发射。最大质量的黑洞发射最慢、最强大的波——但要研究它们我们需要一个像我们星系一样大小的探测器

被相对小的黑洞之间碰撞创造的高频引力波能被用基于地球的探测器拾起，它们于 2015 年被首次观测到。然而，更慢、更强大的波存在的证据直到去年为止没有被发现。

世界各地的几组天文学家已经通过密切观测特定类型恒星群的行为组装了星系尺度的引力波探测器。我们的实验猫鼬（MeerKAT）脉冲星计时阵列是这些星系尺度探测器的最大的。

今天，我们已经宣布了低频引力波的进一步证据，但与来自更早结果有一些有趣的差异。在刚好其他实验的三分之一时间内我们已经发现了一个暗示宇宙比被预期的更活跃的信号。

我们还已经能够比以往任何时候更准确映射被星系合并留下的宇宙结构。

黑洞、星系和脉冲星

科学家们相信在大多数星系的中心生活着一个被称为超大质量黑洞的巨大天体。尽管它们的巨大质量——我们太阳质量的数十亿倍——但这些宇宙巨人是难来研究的。

几十年来天文学家已经知道超大质量黑洞，但仅在2019 年首次直接的观测到一个。

当两个星系合并时在它们中心的黑洞开始朝向彼此螺旋。在这个过程中它们发送出缓慢的强大的引力波，给我们一个来研究它们的机会。

我们用另一群异域的宇宙天体做这个：脉冲星。这些是主要由中子构成的极端密的恒星，它大小可能大约是一个城市但重量为太阳的两倍。

脉冲星每秒自旋数百圈。随它们旋转它们就像灯塔一样行动，用来自数千光年外的辐射脉冲击中地球。对一些脉冲星，我们能预测脉冲应该在纳秒内击中我们的时候。

我们的引力波探测器利用这一事实。如果我们在同一时间段内观测许多脉冲星，并且我们关于这些脉冲以一种非常特定的方式击中我们时间是错的，我们知道引力波正在拉伸或挤压地球和脉冲星之间的空间。

然而，不是看到只一个我们期望来看到在各个方向中充满纵横交错波的宇宙海洋中的波——而是在宇宙历史中所有星系合并的回声涟漪。我们叫这个为引力波背景。

一个令人惊讶的响亮信号——和一个有趣的“热点”

为探测引力波背景，我们用了南非的猫鼬射电望远镜。猫鼬是世界上最灵敏的射电望远镜之一。

作为猫鼬脉冲星计时阵列的部分，它约5 年一直在观测一群83个脉冲星，精确测量它们的脉冲到达地球的时间。这导致我们发现一种与一个引力波背景相关的模式，只是它与其他实验已经发现的有一点差异。

该模式代表地球和脉冲星之间的空间和时间多被通过它们之间的引力波变化的，比预期的更强大。

这可能意味着比我们想的有更多的环绕彼此的超大质量黑洞。如果如此这引发更多的问题——因为我们现有的理论提示应该有比我们似乎来看到的更少的超大质量黑洞。

我们探测器的大小和猫鼬望远镜的灵敏度意味着我们能以极端精度评估背景。这允许我们来创造迄今为止最详细的引力波背景的映射。以这种方式映射背景对理解我们宇宙的宇宙结构是至关重要的。

它甚至可能引导我们到我们观测的引力波信号的最终来源。虽然我们认为背景从这些巨大黑洞相互作用浮现是可能的，但它也可能源于大爆炸后早期高能宇宙中的变化——甚至可能更异域的事件。

跨天空引力波背景的映射，包括在南半球的一个神秘“热点”。 (Image credit: Grunthal & Nathan et al. / MNRAS)

我们已经创建的映射显示了一个在南半球天空中引力波活动的有趣的“热点”。这种不规则性支持被超大质量黑洞而不是其他替代方案创造的一个背景的想法。