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每(mei)經(jing)記(ji)者(zhe)：蔡(cai)鼎(ding) 每经編(bian)輯(ji)：高(gao)涵(han)

2017年(nian)的(de)諾(nuo)貝(bei)爾(er)物(wu)理(li)学獎(jiang)授(shou)予(yu)了(le)101年前(qian)的壹(yi)個(ge)預(yu)测——1916年，艾(ai)尔伯(bo)特(te)·爱因斯坦的狹(xia)義(yi)相对论和(he)廣(guang)义相对论徹(che)底(di)改(gai)變(bian)了科学家們(men)对恒(heng)星(xing)和星系(xi)尺(chi)度(du)下(xia)的物理学理解(jie)。爱因斯坦當(dang)时预言(yan)，在(zai)某(mou)些(xie)情(qing)況(kuang)下，宇宙本(ben)身(shen)的結(jie)構(gou)會(hui)抖(dou)動(dong)和擺(bai)动，這(zhe)也(ye)是(shi)人(ren)類(lei)历史上(shang)首次出(chu)现“引力波”的概(gai)念(nian)。

近(jin)日(ri)，一个国际科学家团队的新发现，不(bu)僅(jin)证實(shi)引力波確(que)实存(cun)在，验证了爱因斯坦在1916年做(zuo)出的预测，還(hai)首次观测到“引力波背景”证据，為(wei)研(yan)究(jiu)人員(yuan)提(ti)供(gong)了研究黑(hei)洞(dong)和中(zhong)子(zi)星等(deng)奇(qi)妙(miao)宇宙现象(xiang)的新途(tu)徑(jing)。

当地(di)时間(jian)6月(yue)29日，发表(biao)在《天(tian)體(ti)物理学雜(za)誌(zhi)快(kuai)報(bao)》上的一系列(lie)新论文(wen)中，科学家报告(gao)了他(ta)们的成(cheng)果(guo)。來(lai)自(zi)中国、美(mei)国、澳(ao)大(da)利(li)亞(ya)和歐(ou)洲(zhou)的研究人员稱(cheng)，他们探(tan)测到了一種(zhong)難(nan)以(yi)捉(zhuo)摸(mo)的宇宙“嗡(weng)嗡聲(sheng)”跡(ji)象，这些“嗡嗡声”可(ke)能(neng)由(you)宇宙中最大的黑洞產(chan)生(sheng)。

这一发现意(yi)味(wei)著(zhe)天体物理学家可能已(yi)经为了解超(chao)大質(zhi)量(liang)黑洞打(da)開(kai)了一个全(quan)新窗(chuang)口(kou)，將(jiang)把(ba)人类帶(dai)入(ru)一个全新的引力波天文学时代。《经濟(ji)学人》文章(zhang)称，这項(xiang)新发现甚(shen)至(zhi)还可能揭示一些關(guan)於(yu)宇宙最早期历史的故(gu)事(shi)。

引力波或来自一对超大质量黑洞，每个的质量是太(tai)陽(yang)的數(shu)百(bai)萬(wan)倍(bei)

“引力波背景”輻(fu)射(she)是由許(xu)多(duo)不同(tong)的引力波源(yuan)疊(die)加(jia)而(er)成的，它(ta)们的頻(pin)率(lv)和強(qiang)度都(dou)不相同，但(dan)都很(hen)低(di)，它们應(ying)該(gai)存在于我(wo)们周(zhou)圍(wei)，並(bing)可能会告訴(su)我们它恒久(jiu)隱(yin)藏(zang)着的重(zhong)要(yao)信(xin)息(xi)。但遺(yi)憾(han)的是，关于其(qi)存在和組(zu)成，一直(zhi)只(zhi)是理论化(hua)的产物，直到上述(shu)国际科技(ji)团队公(gong)布(bu)新发现。

据悉(xi)，科学家们此(ci)次探测到的引力波背景最可能的来源是陷(xian)入“死(si)亡(wang)螺(luo)旋(xuan)”的一对超大质量黑洞。这些黑洞龐(pang)大到能達(da)到数十(shi)億(yi)个太阳质量。由于幾(ji)乎(hu)所(suo)有(you)星系，包(bao)括(kuo)銀(yin)河(he)系中心(xin)都盤(pan)踞(ju)着这樣(yang)一个黑洞怪(guai)物，因此当兩(liang)个星系碰(peng)撞(zhuang)和合(he)并时，它们的超大质量黑洞会相遇(yu)并开始(shi)相互(hu)繞(rao)轉(zhuan)。一旦(dan)两个黑洞足(zu)夠(gou)接(jie)近，就(jiu)有可能被脈(mai)沖(chong)星計(ji)时陣(zhen)列观测到。

範(fan)德(de)比(bi)尔特大学的天体物理学家、北(bei)美納(na)米(mi)赫(he)茲(zi)引力波观测站(zhan)（下称NANOGrav）的研究小(xiao)组主(zhu)席(xi)Stephen Taylor表示，“過(guo)去(qu)15年裏(li)，我们一直在執(zhi)行(xing)一项任(ren)務(wu)，即(ji)找(zhao)到響(xiang)彻整(zheng)个宇宙的引力波。我们非(fei)常(chang)高興(xing)地宣(xuan)布，我们的工(gong)作(zuo)終(zhong)于得(de)到了回(hui)报。”

15年来，NANOGrav的天文学家们对银河系中数十个毫(hao)秒(miao)脉冲星的無(wu)線(xian)電(dian)波進(jin)行了密(mi)切(qie)计时，此次的新发现就来自对67顆(ke)脉冲星阵列进行詳(xiang)細(xi)分(fen)析(xi)的结果。NANOGrav的研究人员已经在仔(zai)细研究一个数据集(ji)，其中包括了该团队过去15年来的观测结果。

一对超大质量黑洞（左(zuo)上）发射出引力波（藝(yi)術(shu)想(xiang)象圖(tu)）。图片(pian)来源：NANOGrav

西(xi)弗(fu)吉(ji)尼(ni)亚大学nanogravity天体物理学家Maura McLaughlin表示，“我们预计，在这个長(chang)达15年的数据集中看(kan)到的引力波证据会更(geng)加强大。”她(ta)还補(bu)充(chong)称，这项工作应该会在未(wei)来1~2年內(nei)完(wan)成，并将为这个数据集增(zeng)加更多的脉冲星信息。

McLaughlin还称，除(chu)了为引力波背景信號(hao)提供更有力的证据外(wai)，该数据集甚至可能讓(rang)研究人员鎖(suo)定(ding)一个特定来源的位(wei)置(zhi)，比如(ru)一对附(fu)近的超大质量黑洞。

《每日经济新聞(wen)》记者註(zhu)意到，NANOGrav团队并不是唯(wei)一一个报告引力波背景的团队。中国、欧洲、印(yin)度和澳大利亚团队发表的多篇(pian)论文报告称，他们的数据中存在相同的引力波背景信号。通(tong)过国际脉冲星计时阵列聯(lian)盟(meng)，各(ge)个小组也正(zheng)在匯(hui)集他们的数据，以更好(hao)地表征(zheng)信号并識(shi)別(bie)其来源。

意大利米蘭(lan)比可卡(ka)大学研究人员Alberto Sesan博(bo)士(shi)表示，这些新探测到的引力波最可能的来源是一对超大质量黑洞，其中每个黑洞的质量都是太阳的数百万倍。他们最常出现在星系的中心。在数十亿年的时间里，星系的碰撞预计会频繁(fan)发生，并在宇宙中产生一种背景“嗡嗡声”。Sesan博士指(zhi)出，“这证明(ming)超大质量黑洞雙(shuang)星确实存在于自然(ran)界(jie)中。”

《经济学人》文章中称，该引力波的来源还有另(ling)一种可能，雖(sui)然可能性(xing)要小得多，但也十分令(ling)人兴奮(fen)，即最新探测到的引力波可能是人类对宇宙早期历史的最深(shen)刻(ke)一瞥(pie)，当时宇宙的体積(ji)在短(duan)时间内迅(xun)速(su)增加，并造(zao)成这种“嗡嗡声”。

“宇宙燈(deng)塔(ta)”脉冲星探测超低频率引力波

其实，这并不是人类首次观测到宇宙中的引力波——2015年，引力波就首次被人类直接观测到。当时天文学家们用(yong)位于美国西北部(bu)華(hua)盛(sheng)頓(dun)州(zhou)和東(dong)南(nan)部路(lu)易(yi)斯安(an)那(na)州的天文臺(tai)，探测到一对黑洞碰撞产生的波，每个黑洞的质量約(yue)为太阳的30倍。这在宇宙中产生了频率约为150Hz的波，波长约为2000公里。

8年前的这一探测，標(biao)志着引力波天文学时代的正式(shi)开始。这种科学利用重力来研究宇宙，就像(xiang)傳(chuan)統(tong)天文学利用电磁(ci)辐射一样，從(cong)可見(jian)光(guang)到无线电波和伽(jia)馬(ma)射线。

图片来源：WSWS报道(dao)截(jie)图

据悉，大多数的引力波探测器(qi)都是幹(gan)涉(she)儀(yi)，它的工作原(yuan)理是将一束(shu)光分成两半(ban)，然後(hou)将每一半的光送(song)入一对垂(chui)直的长臂(bi)中。在长臂的末(mo)端(duan)，光脉冲被反(fan)射回源頭(tou)，并在源头将光束重新组合起(qi)来。如果这个过程(cheng)沒(mei)有中斷(duan)，那麽(me)返(fan)回的光束在重新组合时将相互抵(di)消(xiao)。

在天文探测界，对引力波的尋(xun)找往(wang)往需(xu)要大型(xing)的仪器。美国LIGO探测仪的臂长达4公里，欧洲仪器Virgo的臂长則(ze)为3公里。如果探测的引力波频率越(yue)低，所需要的探测仪器的臂长就要更长。例(li)如，如果需要探测频率在1Hz左右(you)的引力波，就需要比地球(qiu)本身更大的探测器。这也就是欧洲航(hang)天局(ju)正在建(jian)造一艘(sou)名(ming)为LISA的航天器的原因，该航天器预计将于本世(shi)紀(ji)30年代末準(zhun)備(bei)就緒(xu)，它将使(shi)用一个太空(kong)極(ji)光和鏡(jing)面(mian)系统来制(zhi)造250万公里长的臂长。

然而，最新的研究结果涉及(ji)的引力波频率是在纳赫兹范围内的波。为了探测到这些超低频率引力波，天文学家必(bi)須(xu)依(yi)靠(kao)大自然产生的光脉冲，特别是“宇宙灯塔”脉冲星。脉冲星是一种高速旋转、高度穩(wen)定、强烈(lie)辐射电磁波的星体。脉冲到达地球的規(gui)律(lv)就像節(jie)拍(pai)器一样精(jing)确，当引力波在地球和脉冲星之(zhi)间通过时，无线电波计时就会立(li)刻被擾(rao)亂(luan)。脉冲星计时阵列也就成为了当前最有希(xi)望(wang)探测到引力波背景的方(fang)法(fa)。

不过需要指出的是，虽然研究人员发现了超低频率的引力波，但这仍(reng)需要很大的耐(nai)心，因为多年来各个天文台的观测结果都是慢(man)慢传輸(shu)的。最新研究中包含(han)的一些数据甚至是25年前收(shou)集的。

美国国家科学基(ji)金(jin)会主任Sethuraman Panchanathan表示，科学家们此次“在本质上創(chuang)建了一个全银河系探测器，揭示了彌(mi)漫(man)在宇宙中的引力波”。

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