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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