劃時(shí)代新發(fā)現(xiàn)！愛(ài)因斯坦相對(duì)論再被驗(yàn)證，國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)首次觀測(cè)到“引力波背景”證據(jù)，或揭示宇宙最早期歷史

每經(jīng)記者 蔡鼎    每經(jīng)編輯 高涵    

2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了101年前的一個(gè)預(yù)測(cè)——1916年，艾爾伯特·愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論徹底改變了科學(xué)家們對(duì)恒星和星系尺度下的物理學(xué)理解。愛(ài)因斯坦當(dāng)時(shí)預(yù)言，在某些情況下，宇宙本身的結(jié)構(gòu)會(huì)抖動(dòng)和擺動(dòng)，這也是人類(lèi)歷史上首次出現(xiàn)“引力波”的概念。

近日，一個(gè)國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的新發(fā)現(xiàn)，不僅證實(shí)引力波確實(shí)存在，驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦在1916年做出的預(yù)測(cè)，還首次觀測(cè)到“引力波背景”證據(jù)，為研究人員提供了研究黑洞和中子星等奇妙宇宙現(xiàn)象的新途徑。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間6月29日，發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》上的一系列新論文中，科學(xué)家報(bào)告了他們的成果。來(lái)自中國(guó)、美國(guó)、澳大利亞和歐洲的研究人員稱(chēng)，他們探測(cè)到了一種難以捉摸的宇宙“嗡嗡聲”跡象，這些“嗡嗡聲”可能由宇宙中最大的黑洞產(chǎn)生。

這一發(fā)現(xiàn)意味著天體物理學(xué)家可能已經(jīng)為了解超大質(zhì)量黑洞打開(kāi)了一個(gè)全新窗口，將把人類(lèi)帶入一個(gè)全新的引力波天文學(xué)時(shí)代。《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》文章稱(chēng)，這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)甚至還可能揭示一些關(guān)于宇宙最早期歷史的故事。

引力波或來(lái)自一對(duì)超大質(zhì)量黑洞，每個(gè)的質(zhì)量是太陽(yáng)的數(shù)百萬(wàn)倍

“引力波背景”輻射是由許多不同的引力波源疊加而成的，它們的頻率和強(qiáng)度都不相同，但都很低，它們應(yīng)該存在于我們周?chē)?，并可能?huì)告訴我們它恒久隱藏著的重要信息。但遺憾的是，關(guān)于其存在和組成，一直只是理論化的產(chǎn)物，直到上述國(guó)際科技團(tuán)隊(duì)公布新發(fā)現(xiàn)。

據(jù)悉，科學(xué)家們此次探測(cè)到的引力波背景最可能的來(lái)源是陷入“死亡螺旋”的一對(duì)超大質(zhì)量黑洞。這些黑洞龐大到能達(dá)到數(shù)十億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。由于幾乎所有星系，包括銀河系中心都盤(pán)踞著這樣一個(gè)黑洞怪物，因此當(dāng)兩個(gè)星系碰撞和合并時(shí)，它們的超大質(zhì)量黑洞會(huì)相遇并開(kāi)始相互繞轉(zhuǎn)。一旦兩個(gè)黑洞足夠接近，就有可能被脈沖星計(jì)時(shí)陣列觀測(cè)到。

范德比爾特大學(xué)的天體物理學(xué)家、北美納米赫茲引力波觀測(cè)站（下稱(chēng)NANOGrav）的研究小組主席Stephen Taylor表示，“過(guò)去15年里，我們一直在執(zhí)行一項(xiàng)任務(wù)，即找到響徹整個(gè)宇宙的引力波。我們非常高興地宣布，我們的工作終于得到了回報(bào)。”

15年來(lái)，NANOGrav的天文學(xué)家們對(duì)銀河系中數(shù)十個(gè)毫秒脈沖星的無(wú)線電波進(jìn)行了密切計(jì)時(shí)，此次的新發(fā)現(xiàn)就來(lái)自對(duì)67顆脈沖星陣列進(jìn)行詳細(xì)分析的結(jié)果。NANOGrav的研究人員已經(jīng)在仔細(xì)研究一個(gè)數(shù)據(jù)集，其中包括了該團(tuán)隊(duì)過(guò)去15年來(lái)的觀測(cè)結(jié)果。

一對(duì)超大質(zhì)量黑洞（左上）發(fā)射出引力波（藝術(shù)想象圖）。圖片來(lái)源：NANOGrav

西弗吉尼亞大學(xué)nanogravity天體物理學(xué)家Maura McLaughlin表示，“我們預(yù)計(jì)，在這個(gè)長(zhǎng)達(dá)15年的數(shù)據(jù)集中看到的引力波證據(jù)會(huì)更加強(qiáng)大。”她還補(bǔ)充稱(chēng)，這項(xiàng)工作應(yīng)該會(huì)在未來(lái)1~2年內(nèi)完成，并將為這個(gè)數(shù)據(jù)集增加更多的脈沖星信息。

McLaughlin還稱(chēng)，除了為引力波背景信號(hào)提供更有力的證據(jù)外，該數(shù)據(jù)集甚至可能讓研究人員鎖定一個(gè)特定來(lái)源的位置，比如一對(duì)附近的超大質(zhì)量黑洞。

《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者注意到，NANOGrav團(tuán)隊(duì)并不是唯一一個(gè)報(bào)告引力波背景的團(tuán)隊(duì)。中國(guó)、歐洲、印度和澳大利亞團(tuán)隊(duì)發(fā)表的多篇論文報(bào)告稱(chēng)，他們的數(shù)據(jù)中存在相同的引力波背景信號(hào)。通過(guò)國(guó)際脈沖星計(jì)時(shí)陣列聯(lián)盟，各個(gè)小組也正在匯集他們的數(shù)據(jù)，以更好地表征信號(hào)并識(shí)別其來(lái)源。

意大利米蘭比可卡大學(xué)研究人員Alberto Sesan博士表示，這些新探測(cè)到的引力波最可能的來(lái)源是一對(duì)超大質(zhì)量黑洞，其中每個(gè)黑洞的質(zhì)量都是太陽(yáng)的數(shù)百萬(wàn)倍。他們最常出現(xiàn)在星系的中心。在數(shù)十億年的時(shí)間里，星系的碰撞預(yù)計(jì)會(huì)頻繁發(fā)生，并在宇宙中產(chǎn)生一種背景“嗡嗡聲”。Sesan博士指出，“這證明超大質(zhì)量黑洞雙星確實(shí)存在于自然界中。”

《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》文章中稱(chēng)，該引力波的來(lái)源還有另一種可能，雖然可能性要小得多，但也十分令人興奮，即最新探測(cè)到的引力波可能是人類(lèi)對(duì)宇宙早期歷史的最深刻一瞥，當(dāng)時(shí)宇宙的體積在短時(shí)間內(nèi)迅速增加，并造成這種“嗡嗡聲”。

“宇宙燈塔”脈沖星探測(cè)超低頻率引力波

其實(shí)，這并不是人類(lèi)首次觀測(cè)到宇宙中的引力波——2015年，引力波就首次被人類(lèi)直接觀測(cè)到。當(dāng)時(shí)天文學(xué)家們用位于美國(guó)西北部華盛頓州和東南部路易斯安那州的天文臺(tái)，探測(cè)到一對(duì)黑洞碰撞產(chǎn)生的波，每個(gè)黑洞的質(zhì)量約為太陽(yáng)的30倍。這在宇宙中產(chǎn)生了頻率約為150Hz的波，波長(zhǎng)約為2000公里。

8年前的這一探測(cè)，標(biāo)志著引力波天文學(xué)時(shí)代的正式開(kāi)始。這種科學(xué)利用重力來(lái)研究宇宙，就像傳統(tǒng)天文學(xué)利用電磁輻射一樣，從可見(jiàn)光到無(wú)線電波和伽馬射線。

圖片來(lái)源：WSWS報(bào)道截圖

據(jù)悉，大多數(shù)的引力波探測(cè)器都是干涉儀，它的工作原理是將一束光分成兩半，然后將每一半的光送入一對(duì)垂直的長(zhǎng)臂中。在長(zhǎng)臂的末端，光脈沖被反射回源頭，并在源頭將光束重新組合起來(lái)。如果這個(gè)過(guò)程沒(méi)有中斷，那么返回的光束在重新組合時(shí)將相互抵消。

在天文探測(cè)界，對(duì)引力波的尋找往往需要大型的儀器。美國(guó)LIGO探測(cè)儀的臂長(zhǎng)達(dá)4公里，歐洲儀器Virgo的臂長(zhǎng)則為3公里。如果探測(cè)的引力波頻率越低，所需要的探測(cè)儀器的臂長(zhǎng)就要更長(zhǎng)。例如，如果需要探測(cè)頻率在1Hz左右的引力波，就需要比地球本身更大的探測(cè)器。這也就是歐洲航天局正在建造一艘名為L(zhǎng)ISA的航天器的原因，該航天器預(yù)計(jì)將于本世紀(jì)30年代末準(zhǔn)備就緒，它將使用一個(gè)太空極光和鏡面系統(tǒng)來(lái)制造250萬(wàn)公里長(zhǎng)的臂長(zhǎng)。

然而，最新的研究結(jié)果涉及的引力波頻率是在納赫茲范圍內(nèi)的波。為了探測(cè)到這些超低頻率引力波，天文學(xué)家必須依靠大自然產(chǎn)生的光脈沖，特別是“宇宙燈塔”脈沖星。脈沖星是一種高速旋轉(zhuǎn)、高度穩(wěn)定、強(qiáng)烈輻射電磁波的星體。脈沖到達(dá)地球的規(guī)律就像節(jié)拍器一樣精確，當(dāng)引力波在地球和脈沖星之間通過(guò)時(shí)，無(wú)線電波計(jì)時(shí)就會(huì)立刻被擾亂。脈沖星計(jì)時(shí)陣列也就成為了當(dāng)前最有希望探測(cè)到引力波背景的方法。

不過(guò)需要指出的是，雖然研究人員發(fā)現(xiàn)了超低頻率的引力波，但這仍需要很大的耐心，因?yàn)槎嗄陙?lái)各個(gè)天文臺(tái)的觀測(cè)結(jié)果都是慢慢傳輸?shù)摹?strong>最新研究中包含的一些數(shù)據(jù)甚至是25年前收集的。

美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)主任Sethuraman Panchanathan表示，科學(xué)家們此次“在本質(zhì)上創(chuàng)建了一個(gè)全銀河系探測(cè)器，揭示了彌漫在宇宙中的引力波”。

封面圖片來(lái)源：視覺(jué)中國(guó)