天文學家可能第一次聽到了宇宙的「嗡嗡聲」背景

2021-01-13 騰訊網

根據我們對引力波的了解,宇宙應該充滿了它們。每對碰撞的黑洞或中子星,每一顆核子崩潰的超新星-甚至是大爆炸本身,都應該在整個時空發出漣漪。

在所有這些時間之後,這些波將是微弱的並且很難被發現,但是據預測,它們都將構成共振的「嗡嗡聲」,這種「嗡嗡聲」會滲透到我們的宇宙中,稱為重力波背景。我們可能剛剛發現了它的第一個提示。

您可以將引力波的背景想像成是整個宇宙歷史上大規模事件遺留下來的響聲,這對我們對宇宙的理解可能具有無價的價值,但難以發現。

科羅拉多大學博爾德分校的天體物理學家約瑟夫·西蒙(Joseph Simon)和NANOGrav合作表示: 「看到如此強烈的信號從數據中發出來,真是令人興奮。」

「但是,由於我們要搜索的重力波信號跨越了整個觀測過程,因此我們需要仔細了解我們的噪聲。這使我們處於一個非常有趣的地方,在這裡我們可以強烈排除一些已知的噪聲源,但是我們還不能說信號是否確實來自重力波。為此,我們將需要更多數據。」

儘管如此,科學界還是很興奮。自從該團隊的預印本於去年9月發布到arXiv以來,已有80多篇論文引用了該研究。

國際團隊一直在努力,分析數據以試圖反駁或確認團隊的結果。如果事實證明信號是真實的,那麼它可能會開啟引力波天文學的一個全新階段-或向我們揭示全新的天體物理學現象。

該信號來自對一顆稱為脈衝星的死星的觀測。這些是中子星,其定向方式使得當它們以毫秒速度旋轉時,它們會從極點發出無線電波束,其速度可與廚房攪拌機媲美。

這些閃光是令人難以置信的精確定時,這意味著,脈衝星是可能是宇宙中最有用的明星。它們的時間變化可用於導航,探測星際介質和研究重力。而且,自從發現引力波以來,天文學家們也一直在使用引力波尋找引力波。

那是因為引力波在波動時會扭曲時空,從理論上講,它應該改變脈衝星發出的無線電脈衝的時間(只是非常輕微)。

一位天體物理學家說:「引力波的背景伸展和縮小了脈衝星與地球之間的時空,導致脈衝星的信號到達(延遲)或更早(收縮)的時間要比沒有引力波時要晚。斯威本科技大學的Ryan Shannon和OzGrav的合作者(未參與研究)向ScienceAlert解釋。

具有不規則搏動的單個脈衝星不一定意味著太多。但是,如果一整群脈衝星顯示出時序變化的相關模式,則可能構成了引力波背景的證據。

這樣的脈衝星集合被稱為脈衝星定時陣列,這就是NANOGrav團隊一直在觀察-銀河系中最穩定的毫秒級脈衝星中的45個。

他們還沒有完全檢測到可以確定引力波背景的信號。

但是他們已經檢測到某種東西-Shannon解釋說,一個「共同的噪聲」信號在脈衝星之間變化,但是每次都顯示相似的特性。西蒙指出,這些偏差導致觀測運行13年的過程中變化了幾百納秒。

還有其他一些因素可能會產生此信號。例如,需要從一個不加速的參考系中分析一個脈衝星定時陣列,這意味著任何數據都需要轉移到太陽系的中心,即重心,而不是地球。

如果重心的計算不正確-比它聽起來要難得多,因為它是太陽系中所有移動物體的重心-那麼您可能會得到錯誤的信號。去年,NANOGrav團隊宣布,他們已經計算出太陽系重心在100米(328英尺)以內。

仍然存在這種差異可能是他們發現的信號的根源,需要做更多的工作來解決這個問題。

因為如果信號確實來自某種共振重力波的嗡嗡聲,那將是一筆不小的數目,因為這些背景重力波的來源很可能是超大質量黑洞(SMBH)。

由於引力波向我們展示了我們無法以電磁方式檢測到的現象-例如黑洞碰撞-這可以幫助解決諸如最終的parsec問題之類的難題,這可能導致超大質量黑洞可能無法合併,並幫助我們更好地理解星系的進化與成長。

在更遠的地方,我們甚至可以檢測到在大爆炸之後產生的引力波,從而為我們提供了進入早期宇宙的獨特窗口。

顯然,在達到這一點之前,需要做很多科學工作。

香農說:「這是朝著納米赫茲頻率引力波檢測邁出的第一步。」 「我要提醒公眾和科學家不要過度解釋結果。在未來的一兩年中,我認為將會出現有關信號性質的證據。」

其他團隊也正在研究使用脈衝星定時陣列檢測重力波。OzGrav是Parkes Pulsar時序數組的一部分,該數組將很快發布其14年數據集的分析。在歐洲脈衝星計時陣也努力工作。NANOGrav的結果只會增加人們的興奮感,並期望找到一些東西。

西蒙告訴ScienceAlert:「看到我們的數據發出如此強烈的信號真是令人興奮,但對我而言,最令人振奮的是下一步。」

「儘管我們仍需進一步進行確定的檢測,但這只是第一步。除了我們有機會查明GWB的來源外,除此之外,我們還可以發現他們可以告訴我們的信息宇宙。」

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