宇宙漣漪是什么樣的？最詳盡的引力波背景圖出爐。

當(dāng)你在平靜的湖面丟下一塊石頭，你會看到水面蕩起了一圈圈向外擴散的漣漪?，F(xiàn)在，如果把宇宙想象成這樣的湖面，那么像黑洞或者中子星這樣的致密天體間的碰撞，就是激起這些漣漪的石頭。而這些漣漪，就是我們說的引力波。

事實上，除了引力波，天文學(xué)家認(rèn)為在整個宇宙中，還彌漫著引力波背景。2024年12月3日，在三篇發(fā)表于《皇家天文學(xué)會月刊》的論文中，天文學(xué)家利用MeerKAT射電望遠(yuǎn)鏡捕捉到了“引力波背景”的新證據(jù)，還繪制了一幅迄今為止最詳細(xì)的引力波背景圖。那么，什么是引力波背景？我們又該如何探測它呢？引力波背景。圖：Carl Knox, OzGrav/Swinburne University of Technology and South African Radio Astronomy Observatory (SARAO)

宇宙的嗡嗡聲

對于大多數(shù)人來說，第一次“聽見”引力波是在2016年。當(dāng)時，LIGO（激光干涉引力波天文臺）團(tuán)隊宣布，他們探測到了由兩個恒星級黑洞并合產(chǎn)生的引力波。這是引力波的首次直接探測，不僅驗證了愛因斯坦的理論，還開啟了引力波天文學(xué)的新時代！

然而，LIGO探測到的高頻引力波，僅僅只是整個引力波譜的一部分。高頻引力波的波長較短，適合用地球上的探測器捕捉，除了LIGO之外，還有Virgo等探測器都可以捕捉這類型的引力波。在引力波譜的另一端，則是波長超長的“低頻引力波”，它們的波長可以長達(dá)幾光年，通常是由星系中心的超大質(zhì)量黑洞在相互繞轉(zhuǎn)或并合時產(chǎn)生的。這些黑洞的質(zhì)量是太陽的幾百萬倍甚至幾十億倍！引力波譜。圖：ESA

當(dāng)來自宇宙各地的低頻引力波信號疊加在一起時，就形成了一種整體性的背景“嗡嗡聲”。想象一下，在一個嘈雜的房間里，盡管你聽不清楚每個人在說什么，但整體的嗡嗡聲卻很清楚。天文學(xué)家把這種背景噪聲稱為引力波背景。

低頻引力波：怎么探測？

但問題是，低頻引力波的波長太長了，要探測這種引力波，我們需要一個與其波長相當(dāng)?shù)奶綔y器。換句話說，我們需要的是一個覆蓋銀河系的超大探測器！對于現(xiàn)有的技術(shù)而言，這簡直就是天方夜譚，但天文學(xué)家卻找到了一個絕妙的解決辦法——脈沖星計時陣。

什么是脈沖星呢？簡單來說，脈沖星是一種高速旋轉(zhuǎn)的中子星，它們每秒可自轉(zhuǎn)數(shù)百次。它們就像宇宙中的“燈塔”，以極其穩(wěn)定的節(jié)奏向地球發(fā)射信號。這些信號的到達(dá)時間精準(zhǔn)到納秒級，所以脈沖星可以被視為超精密的宇宙時鐘。

天文學(xué)家通過尋找分布在不同方向的脈沖星，利用它們之間的相對位置，構(gòu)建了一個類似銀河系規(guī)模的脈沖星網(wǎng)絡(luò)。每顆脈沖星就像一個“探測點”，多個探測點協(xié)同工作，就相當(dāng)于構(gòu)建了一個銀河系級別的引力波探測器。

那么，如何利用這張“脈沖星網(wǎng)絡(luò)”來檢測引力波背景呢？

脈沖星計時陣。圖：M. Kramer / MPIfR / EPTA

當(dāng)引力波穿過地球與脈沖星之間的空間時，會稍微拉伸或壓縮時空，從而使脈沖星信號到達(dá)地球的時間發(fā)生輕微的偏差。想象一下，一個超級穩(wěn)定的“宇宙時鐘”，它的時間變得稍微快了或慢了——這就是引力波留下的痕跡。

引力波背景的存在會導(dǎo)致脈沖星對之間的信號到達(dá)時間產(chǎn)生特定的相關(guān)性。這種相關(guān)性并不是憑空猜測出來的，而是由理論嚴(yán)格推導(dǎo)的。天文學(xué)家將這種模式繪制成一條叫做Hellings-Downs曲線的圖，它描述了不同方向的脈沖星對之間的時間延遲相關(guān)性如何隨著它們在天空中的夾角變化而變化。

這條曲線的特別之處在于，它與引力波的傳播方向無關(guān)，成為了檢測引力波背景的重要標(biāo)準(zhǔn)。如果觀測數(shù)據(jù)與Hellings-Downs曲線吻合，就意味著我們成功探測到了引力波背景。如果數(shù)據(jù)偏離這條曲線，那可能是觀測噪聲或其他干擾因素引起的，需要進(jìn)一步驗證。

引力波背景圖

在新的研究中，天文學(xué)家利用了MeerKAT射電望遠(yuǎn)鏡來觀測脈沖星。這臺位于南非的超級望遠(yuǎn)鏡由64個天線陣列組成，它的靈敏度非常高，可以捕捉到來自宇宙深處的微弱信號。

MeerKAT射電望遠(yuǎn)鏡。圖：Space in Africa

天文學(xué)家利用它對83顆脈沖星進(jìn)行了4.5年的觀測，精確記錄了這些脈沖星信號到達(dá)地球的時間。分析結(jié)果顯示，觀測數(shù)據(jù)與“Hellings-Downs曲線”吻合的非常好，為引力波背景存在提供了有力的證據(jù)。觀測到的引力波背景的確鑿證據(jù)——Hellings-Downs曲線。圖：Miles et al. 2024

此外，研究人員還繪制了迄今為止最詳細(xì)的引力波背景圖。通常認(rèn)為，引力波背景應(yīng)該在天空中均勻分布，但新繪制的圖顯示，在南半球天空中出現(xiàn)了一個引力波活動的“熱點”。這個熱點可能是一個異常巨大的雙超大質(zhì)量黑洞系統(tǒng)發(fā)出的信號。不過，科學(xué)家還不確定這個熱點是信號本身，還是觀測數(shù)據(jù)的噪聲造成的偏差。這就像你在嘈雜的房間里聽到一陣嗡嗡聲時，發(fā)現(xiàn)某個角落的聲音特別響，但卻無法確認(rèn)到底是某人大聲說話，還是音響出現(xiàn)了問題。

在南半球發(fā)現(xiàn)的一個“熱點”。圖：Rowina Nathan

仍有許多謎題

值得注意的是，引力波背景的具體來源仍然是個謎。雖然目前主流觀點認(rèn)為它主要來源于超大質(zhì)量黑洞的并合，但其他可能性也未被排除。例如，早期宇宙中的“氣泡”碰撞也可能會產(chǎn)生引力波。

未來，MeerKAT團(tuán)隊將與全球其他脈沖星計時陣合作，整合更多數(shù)據(jù)。通過國際協(xié)作，天文學(xué)家希望解鎖更多關(guān)于黑洞、早期宇宙和其他未知物理現(xiàn)象的謎團(tuán)?；蛟S有一天，通過傾聽宇宙的嗡嗡聲，我們將解開那些前所未見的秘密。