當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。現在，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，天文學家認為在整個宇宙中，還彌漫著引力波背景。2024年12月3日，在三篇發表于《皇家天文學會月刊》的論文中，天文學家利用MeerKAT射電望遠鏡捕捉到了“引力波背景”的新證據，還繪制了一幅迄今為止最詳細的引力波背景圖。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

對于大多數人來說，第一次“聽見”引力波是在2016年。當時，LIGO（激光干涉引力波天文臺）團隊宣布，他們探測到了由兩個恒星級黑洞并合產生的引力波。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幾光年，通常是由星系中心的超大質量黑洞在相互繞轉或并合時產生的。這些黑洞的質量是太陽的幾百萬倍甚至幾十億倍！

引力波譜。圖：ESA

當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的探測器。換句話說，我們需要的是一個覆蓋銀河系的超大探測器！對于現有的技術而言，這簡直就是天方夜譚，但天文學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的中子星，它們每秒可自轉數百次。它們就像宇宙中的“燈塔”，以極其穩定的節奏向地球發射信號。這些信號的到達時間精準到納秒級，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，構建了一個類似銀河系規模的脈沖星網絡。每顆脈沖星就像一個“探測點”，多個探測點協同工作，就相當于構建了一個銀河系級別的引力波探測器。

那么，如何利用這張“脈沖星網絡”來檢測引力波背景呢？


脈沖星計時陣。圖：M. Kramer / MPIfR / EPTA

當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地球的時間發生輕微的偏差。想象一下，一個超級穩定的“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致脈沖星對之間的信號到達時間產生特定的相關性。這種相關性并不是憑空猜測出來的，而是由理論嚴格推導的。天文學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，成為了檢測引力波背景的重要標準。如果觀測數據與Hellings-Downs曲線吻合，就意味著我們成功探測到了引力波背景。如果數據偏離這條曲線，那可能是觀測噪聲或其他干擾因素引起的，需要進一步驗證。

引力波背景圖

在新的研究中，天文學家利用了MeerKAT射電望遠鏡來觀測脈沖星。這臺位于南非的超級望遠鏡由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射電望遠鏡。圖：Space in Africa

天文學家利用它對83顆脈沖星進行了4.5年的觀測，精確記錄了這些脈沖星信號到達地球的時間。分析結果顯示，觀測數據與“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。
觀測到的引力波背景的確鑿證據——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的引力波背景圖。通常認為，引力波背景應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量黑洞系統發出的信號。不過，科學家還不確定這個熱點是信號本身，還是觀測數據的噪聲造成的偏差。這就像你在嘈雜的房間里聽到一陣嗡嗡聲時，發現某個角落的聲音特別響，但卻無法確認到底是某人大聲說話，還是音響出現了問題。


在南半球發現的一個“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為它主要來源于超大質量黑洞的并合，但其他可能性也未被排除。例如，早期宇宙中的“氣泡”碰撞也可能會產生引力波。

未來，MeerKAT團隊將與全球其他脈沖星計時陣合作，整合更多數據。通過國際協作，天文學家希望解鎖更多關于黑洞、早期宇宙和其他未知物理現象的謎團。或許有一天，通過傾聽宇宙的嗡嗡聲，我們將解開那些前所未見的秘密。

論文鏈接：
https://academic.oup.com/mnras/advance-article/doi/10.1093/mnras/stae2571/7912548
https://academic.oup.com/mnras/advance-article/doi/10.1093/mnras/stae2572/7912547
https://academic.oup.com/mnras/advance-article/doi/10.1093/mnras/stae2573/7912549

本文為科普中國·創作培育計劃扶持作品

作者名稱：李兆瀅

審核：韓文標 中科院上海天文臺 研究員

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 星空計劃

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