一個多世紀前,愛因斯坦基于廣義相對論預言了引力波,如今,“聆聽”引力波已經成為人類觀測宇宙的重要方式。目前,天文學家距離觀測到“超低頻引力波”或許只有一步之遙,它或許能幫助我們揭開超大質量黑洞或早期宇宙的奧秘。
撰文|Passant Rabie
編譯|鄭昱虹
審校|王昱
大規(guī)模、劇烈的天文事件可以產生引力波。自2015年9月首次探測到引力波以來,科學家持續(xù)監(jiān)聽這些宇宙中的低沉“聲音”,但他們一直未能探測到超低頻引力波。主流理論認為,超低頻引力波是由超大質量天體相互碰撞、或大爆炸后不久的某些事件產生的。因此,超低頻引力波可以為我們揭示古老的黑洞或早期宇宙的奧秘。在近日發(fā)表于《自然·天文學》的一項研究中,來自伯明翰大學(University of Birmingham)的研究人員建議,我們可以結合不同的觀測方法探測超低頻引力波。
什么是超低頻引力波?
天文學家主要依靠電磁輻射(也就是光)研究太空。但是光在傳播過程中會與外太空的物質(比如塵埃)相互作用,這導致我們的“視野”中,星空是模糊的。而引力波可以讓我們“聆聽”宇宙。引力波由大質量物質加速運動產生,以光速穿越宇宙,引發(fā)時空的漣漪。借助激光干涉引力波天文臺(LIGO)和室女座探測器(Virgo detector),科學家可以監(jiān)聽引力波。。
但是目前為止,探測到的大部分引力波頻率高于毫赫茲級別,納赫茲級別的超低頻引力波則很難被探測到。前者由普通恒星或20~30倍太陽質量的較小黑洞產生,而后者可能由數(shù)百萬至數(shù)十億倍太陽質量的超大質量黑洞的合并引起,還可能來自大爆炸后不久發(fā)生的事件,遠早于星系形成。
弗蘭克·歐姆(Frank Ohme)是馬克斯·普朗克獨立引力物理研究組(Independent Max Planck Research Group)的負責人,他解釋說,引力波的振蕩頻率取決于其產生的原因。“(不同頻率的)引力波的效果是一樣的;它會拉伸和擠壓空間和時間,”歐姆說,“低頻的信號要慢一些,所以物體擠壓和拉伸所需的時間比高頻信號長得多?!?/span>
如何探測超低頻引力波?
這篇論文的主要作者克里斯托弗·摩爾(Christopher Moore)是伯明翰大學引力波天文研究所(Institute for Gravitational Wave Astronomy)和物理與天文學院的研究員,他對引力波進行了多年研究。摩爾說:“我一直對引力波感興趣,但在大部分時間里,超低頻引力波比高頻引力波受到的關注少得多,不過我認為這種情況開始改變了?!?/span>
探測超低頻引力波的主要方法是利用脈沖星。脈沖星是一種致密的、高度磁化的恒星,它在旋轉的同時規(guī)律地發(fā)出無線電波脈沖,有“宇宙燈塔”之稱。超低頻引力波可能讓脈沖星發(fā)出的電波間隔時間產生微小的變化,科學家就利用這些變化來尋找這種引力波。摩爾說:“大自然慷慨地給予了我們快速旋轉的毫秒脈沖星,它們是天然的時鐘。毫秒脈沖星以極其穩(wěn)定的方式旋轉,這使它們成為精確的計時儀器。如果引力波穿過地球,你也會看到時鐘加速或減速?!?/span>
雖然利用毫秒脈沖星可能會是探測超低頻引力波的主要方法,但這項新研究的作者認為,毫秒脈沖星的信號變化不足以反映引力波的來源。今年1月,北美納赫茲引力波天文臺(NANOGrav)通過遙遠的脈沖星信號,探測到可能存在超低頻引力波的跡象,但這些跡象尚未得到證實。
因此,這項研究的研究者們建議,需要結合多種方法探究超低頻引力波的來源?!拔覀兿胪ㄟ^這篇論文表達,除了脈沖星計時,我們需要尋找其他探測器、儀器、實驗……任何能檢測到引力波的方法,都可能有所幫助?!蹦栒f。
作者的建議之一,是將脈沖星數(shù)據(jù)與歐洲航天局(the European Space Agency)蓋亞任務(Gaia mission)的觀測結果結合起來。作者還建議研究宇宙大爆炸的核合成模型(Big Bang nucleosynthesis),它是基于大爆炸后不久存在的原子種類建立的早期宇宙模型?!斑@兩種方法都還不能探測到引力波,但它們可以為引力波的頻率設定邊界?!蹦栒f。盡管這篇論文沒有得出關于超低頻引力波的決定性答案,但它是在今后開展超低頻引力波研究的第一步。
為什么要研究超低頻引力波?
自從研究人員首次發(fā)現(xiàn)引力波以來,這些穿越時空的漣漪為人類開啟了觀察宇宙的新領域?,F(xiàn)在,科學家或許即將“解鎖”超低頻引力波,這是激動人心的時代,我們在“聆聽”宇宙之音。
歐姆說:“我們剛剛開始探索宇宙中的超大質量黑洞,我們尚不確定它們的質量和數(shù)量。因為它們很重,它們產生的引力波不僅頻率較低,而且其本身非?!绊憽薄K院诙丛街?,它們產生的時空扭曲就越大,我們就可以看得更遠?!?/span>
但是,要想讓超低頻引力波提供有用的信息,科學家就必須知道它的來源?!斑@是關鍵?!蹦栒f,“我們是在觀察離我們較近的黑洞發(fā)出的信號,還是在目睹與大爆炸的時間更接近的、更古老的宇宙進程?”?摩爾預測,科學家將在不遠的將來探測到超低頻引力波。這可能有助于我們進一步理解宇宙或超大質量黑洞的形成。“這是研究天文學的全新方式,非常令人興奮。”摩爾說。
原文鏈接:
https://www.inverse.com/science/low-frequency-gravitational-waves
論文鏈接:
https://www.nature.com/articles/s41550-021-01489-8
本文轉自《環(huán)球科學》
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