超大質(zhì)量黑洞雙星插圖。鳴謝:美國(guó)宇航局戈達(dá)德太空飛行中心/斯科特·諾布爾
（神秘的研究地球uux.cn）據(jù)西北大學(xué)（阿曼達(dá)·莫里斯）：雖然天體物理學(xué)家從未感應(yīng)到超大質(zhì)量黑洞雙星系統(tǒng)，但一個(gè)由死亡恒星組成的進(jìn)步巨型星系大小的探測(cè)器正在追蹤它們。
在一項(xiàng)由西北大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的難捉新研究中，天體物理學(xué)家處理了45顆死亡恒星(稱為脈沖星)12.5年的黑洞數(shù)據(jù)，為成對(duì)巨型黑洞發(fā)出的范圍引力波信號(hào)設(shè)定了最佳限制。了解這些極限將有助于天體物理學(xué)家限制附近宇宙中存在的新的尋找雙星數(shù)量，確認(rèn)或否認(rèn)現(xiàn)有的研究雙星候選，并在某一天從這些復(fù)雜的進(jìn)步巨型雙星對(duì)中檢測(cè)引力波。
在另一項(xiàng)突破中，難捉該研究還發(fā)現(xiàn)，黑洞在搜索超大質(zhì)量黑洞對(duì)時(shí)，范圍研究人員需要考慮宇宙中所有超大質(zhì)量黑洞雙星的新的尋找引力波交響樂所產(chǎn)生的穩(wěn)定的背景噪音。
這項(xiàng)名為“NANOGrav 12.5年數(shù)據(jù)集:單個(gè)超大質(zhì)量黑洞雙星引力波的研究貝葉斯極限”的研究被《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》接受，并將于今年夏天發(fā)表。進(jìn)步巨型它目前發(fā)表在arXiv預(yù)印本服務(wù)器上。
“我們真誠(chéng)地認(rèn)為，通過引力波探測(cè)超大質(zhì)量黑洞雙星指日可待，”西北大學(xué)的凱特琳·威特說，他領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。
“對(duì)于許多科學(xué)領(lǐng)域來說，這將是一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)。這將使我們能夠進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，如測(cè)試引力，以探索超大質(zhì)量黑洞雙星是否按照我們認(rèn)為的方式進(jìn)化，并且它將教會(huì)我們?nèi)绾卧谖磥淼恼{(diào)查中尋找它們。我們還將能夠回顧宇宙時(shí)間，追溯我們生活的宇宙的歷史。”
威特是西北大學(xué)天體物理學(xué)跨學(xué)科探索和研究中心(CIERA)和阿德勒天文館的CIERA-Adler博士后研究員。
大到無(wú)法探測(cè)
超大質(zhì)量黑洞位于大多數(shù)星系的中心，質(zhì)量可能是我們太陽(yáng)的幾十億倍。典型的恒星質(zhì)量黑洞比我們的太陽(yáng)大10到100倍，相比之下，超大質(zhì)量黑洞大得不可思議。
當(dāng)兩個(gè)星系——每個(gè)都有一個(gè)中心超大質(zhì)量黑洞——合并在一起，它可以創(chuàng)建一個(gè)由這些可怕的黑洞組成的雙星系統(tǒng)。
“有一天，我們的星系將與仙女座星系相撞，”威特說。“數(shù)百萬(wàn)年后，黑洞最終會(huì)找到彼此，形成一個(gè)小伙伴系統(tǒng)。從這樣的系統(tǒng)中探測(cè)引力波將有助于我們理解星系如何相互作用以及宇宙如何演化。”
2016年，由西北大學(xué)教授Vicky Kalogera共同領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)使用激光干涉儀引力波天文臺(tái)(LIGO)首次探測(cè)到兩個(gè)恒星質(zhì)量黑洞合并產(chǎn)生的引力波，這導(dǎo)致了時(shí)空中明顯的短暫波動(dòng)。但是超大質(zhì)量黑洞雙星對(duì)于像LIGO這樣的地面設(shè)備來說太大太遠(yuǎn)了。
這些怪物對(duì)產(chǎn)生的波如此之長(zhǎng)，以至于它們的引力波可能需要幾年甚至幾十年才能完全沖刷地球。即使美國(guó)宇航局和歐洲航天局在21世紀(jì)30年代初發(fā)射LISA(一種基于空間的引力波探測(cè)器，西北大學(xué)教授Shane Larson是該探測(cè)器的聯(lián)合首席研究員)，它仍然無(wú)法探測(cè)到如此巨大的波。
“LIGO只能探測(cè)適合它手臂的波長(zhǎng)，”威特說。“我們必須尋找低得多的波動(dòng)頻率。我們對(duì)超大質(zhì)量黑洞對(duì)很敏感，它們可能需要一個(gè)月甚至15年的時(shí)間才能環(huán)繞彼此運(yùn)行。因此，我們正在尋找一個(gè)可以融入背景的穩(wěn)定信號(hào)。”
脈沖星像時(shí)鐘一樣滴答作響
為了克服這一障礙，研究人員的國(guó)際合作建立了北美納赫茲引力波天文臺(tái)(NANOGrav)，該天文臺(tái)利用脈沖星搜尋引力波，脈沖星是一種快速旋轉(zhuǎn)的中子星，產(chǎn)生于大質(zhì)量恒星在其生命末期的超新星爆炸中。就像燈塔一樣，脈沖星在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)發(fā)出一束閃光。
“因?yàn)槊}沖星自轉(zhuǎn)如此穩(wěn)定，我們看到像時(shí)鐘一樣滴答作響的小閃光，”威特說。“我們用地面射電望遠(yuǎn)鏡觀察那道光。如果時(shí)鐘的滴答聲來得稍微早了一點(diǎn)或晚了一點(diǎn)，這就是一個(gè)跡象，表明它可能受到了引力波的影響。”
NANOGrav追蹤了遍布夜空的75顆脈沖星，其中45顆用于這項(xiàng)研究。它們的光束只需幾毫秒就能閃過地球。因此，在這種情況下，“稍微早一點(diǎn)或稍微晚一點(diǎn)”可能意味著幾分之一納秒。因此，NANOGrav的技術(shù)必須非常敏感，才能捕捉到這些幾乎察覺不到的變化。
通過觀察整個(gè)天空，Witt和NANOGrav團(tuán)隊(duì)一起尋找所有脈沖星的特定模式。根據(jù)理論，超大質(zhì)量黑洞雙星應(yīng)該發(fā)射引力波，這些引力波在到達(dá)地球的途中會(huì)拉伸和擠壓(或扭曲)時(shí)空。扭曲的時(shí)空會(huì)影響脈沖星的光束，從而顯示出一對(duì)難以捉摸的巨型黑洞。
紅色噪音可以欺騙我們
但是，當(dāng)然，脈沖星也會(huì)產(chǎn)生自己的噪聲，這會(huì)使信號(hào)變得模糊不清。
“脈沖星確實(shí)有一些被稱為‘紅色噪聲’的固有噪聲，”威特說。“它們的內(nèi)部可能會(huì)慢慢有點(diǎn)搖晃，除非你像我們一樣近距離觀察，否則你是看不到的。那個(gè)紅色噪音看起來類似于我們正在尋找的廣義引力波噪音。我們必須把這兩者分開。”
去年，NANOGrav團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一項(xiàng)研究，發(fā)現(xiàn)所有脈沖星都有一個(gè)紅色噪聲過程，具有相同的共同特征。然而，在沒有更多證據(jù)的情況下，NANOGrav無(wú)法將此歸因于引力波。在新的研究中，Witt和她的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，為了明確地探測(cè)到來自單個(gè)超大質(zhì)量黑洞雙星的引力波，仍然必須仔細(xì)考慮這種紅色噪聲。
“當(dāng)引力波變得可探測(cè)時(shí)，乍一看它非常類似于紅色噪音，”威特說。“紅色噪音可以欺騙我們。我們的新研究告訴我們，我們必須仔細(xì)觀察，以避免混淆。當(dāng)我們最終探測(cè)到引力波時(shí)，這將是非常重要的。”
雖然NANOGrav還沒有探測(cè)到帶有引力波的超大質(zhì)量黑洞雙星，但Witt的新論文使該領(lǐng)域比以往任何時(shí)候都更近。通過利用12.5年的數(shù)據(jù)集，研究人員創(chuàng)建了新的模型來精確地解釋脈沖星數(shù)據(jù)中的不確定性，并實(shí)施新的技術(shù)來解釋紅色噪聲。
確認(rèn)候選人
這些新模型為超大質(zhì)量黑洞對(duì)發(fā)出的引力波的強(qiáng)度提供了迄今為止最嚴(yán)格的限制。此前，其他研究人員用基于光的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了潛在的超大質(zhì)量黑洞雙星。NANOGrav最終可以確認(rèn)這些潛在的候選者確實(shí)是超大質(zhì)量黑洞雙星。
“用我們的新方法，我們可能能夠更快地證實(shí)這一點(diǎn)，”威特說。“或者，如果我們繼續(xù)收集和分析數(shù)據(jù)，那么我們也許能夠排除它作為候選人。這可能只是銀河系中發(fā)生的一些奇怪的事情。”

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