全新的时空涟漪图

月光如水

在宇宙中，当致密天体（比如中子星或黑洞）相互碰撞并最终并合在一起时，会产生以光速向外传播的时空涟漪——引力波。


类似于光，引力波也有“波谱”。由恒星级黑洞碰撞产生的高频引力波可以通过地球上的探测器（比如LIGO）被探测到。而当位于星系中心的超大质量黑洞（质量是太阳质量的数百万倍，甚至数十亿倍）并合时，就会产生低频引力波。当来自宇宙中各处的许多超大质量黑洞在相互环绕或并合过程中产生的低频引力波信号叠加时，就会形成引力波背景。


然而，探测引力波背景非常具有挑战性，因为这需要使用一个银河系大小的探测器。因此直到去年，科学家才发现它们存在的证据。


在一项新的研究中，天文学家通过观测分布在银河系各处的脉冲星，构建了有史以来最大的星系级别的引力波探测器。在分析了观测数据后，研究人员发现了引力波背景存在的进一步证据。不仅如此，他们还绘制了迄今为止最详尽的宇宙引力波地图。‍‍‍‍‍‍‍


现在，研究人员已经将他们的观测结果以三篇论文的形式发表在近期的《皇家天文学会月刊》上。



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  一闪一闪脉冲星  


当一颗大质量恒星在耗尽燃料时，其核心最终会坍缩形成宇宙中最致密的天体之一——中子星。令人惊叹的是，这种天体的大小可能只有一座城市那么大，但质量却与太阳相当。‍‍‍‍‍‍‍‍


脉冲星则是一种特殊的中子星，每秒旋转数百次。从地球上看，脉冲星似乎在不断地忽明忽暗，这其实是因为当它在高速旋转时，从两极发出射电信号像灯塔的光束一样周期性地扫过地球。这些信号非常稳定且规律，就像宇宙中的“精准时钟”。


根据爱因斯坦的广义相对论，引力波会以微小但精确可预测的方式改变脉冲星信号的到达时间。因此，如果在脉冲星和地球之间有引力波穿过，引力波会拉伸和挤压时空，使得一些脉冲的到达时间稍微延迟，而另一些则略微提前。




  一个惊人的响亮信号  


位于南非的MeerKAT望远镜是目前世界上最灵敏的射电望远镜之一。科学家利用MeerKAT射电望远镜对83颗脉冲星进行了约4.5年的观测，精确地记录了这些脉冲抵达地球的时间。


通过分析这些观测数据，MeerKAT脉冲星计时阵合作组的研究人员发现了一个与引力波背景相关的模式，这种模式代表了地球和脉冲星之间的空间和时间是如何被引力波所改变的。不过，新的数据结果表明，这一模式比预期的更强大。这意味着，相互环绕的超大质量黑洞可能比我们想象的要多。如果是这样的话，这就引发了更多的问题——因为现有的理论表明，超大质量黑洞的数量应该更少才对。


在这项研究中，极度灵敏的MeerKAT望远镜，使得研究人员能够绘制出了迄今为止最详细的引力波背景图。

一张覆盖整片天空的引力波背景图，南半球显示出了一个神秘的“热点”。（图/Grunthal & Nathan et al. / MNRAS）

通常，引力波背景被认为会均匀分布在天空中。然而，新绘制的引力波背景图则显示了在南半球天空中，引力波活动出现了一个有趣的“热点”。这种不规则性支持了引力波背景是由超大质量黑洞相互作用产生的，而不是其他奇特的事件产生的。


为了确认新研究的发现，研究人员还需要进一步将数据与其他的脉冲星计时阵的结果结合起来。‍

#创作团队：

编译：不二北斗

排版：雯雯

#参考来源：

https://theconversation.com/to-map-the-vibration-of-the-universe-astronomers-built-a-detector-the-size-of-the-galaxy-244157

#图片来源：

封面图&首图：Carl Knox, OzGrav/Swinburne University of Technology and South African Radio Astronomy Observatory (SARAO)