終於有了低頻引力波的證據

物理學家們首次發現了“低頻引力波”的“令人信服的證據”。這些引力波通常是由於宇宙中巨大物體之間的相互軌道引起的時空漣漪。這些波可能來自宇宙中最大的一些黑洞成對發射並與其他深空物體碰撞，產生足以被科學家捕捉到的微妙信號。北美納赫引力波天文臺（NANOGrav）在《天體物理學雜誌快報》上發表了一系列新發現的論文。該團隊將於週四下午在美國國家科學基金會和YouTube向公衆展示他們的結果。NANOGrav團隊與國際同事協調，歐洲、印度、澳大利亞和中國的單獨合作同時發佈了類似的發現。小組之間的一致性爲他們的結論增添了分量，即這些長期被理論化的引力波實際上是存在的。

NANOGrav主席斯蒂芬·泰勒在6月27日的新聞發佈會上表示:“過去15年裡，我們一直在尋找能夠扭曲時空並傳播到整個宇宙和我們銀河系的低頻引力波信號。我們非常高興地宣佈，我們的努力得到了回報。”泰勒指出，NANOGrav的測量結果與阿爾伯特·愛因斯坦廣義相對論的預測一致。按照這個理論，當黑洞相互環繞時，它們會在時空結構中形成皺紋，並以光速向外傳播。然而，一個世紀以前，人們似乎幾乎無法從地球上探測到這種現象。實際上，直到2015年，美國激光干涉引力波天文臺合作項目才發現了這個現象，讓物理學界感到興奮不已。

LIGO小組和歐洲處女座合作項目已經發現了幾十個引力波，其中大部分來自恆星大小的黑洞合併以及黑洞和中子星之間的合併。然而，NANOGrav科學家尋找的引力波非常不同:它們是在低得多的頻率下測量的，可能來自超大質量黑洞，這些巨大的物體位於大多數星系的中心，包括我們自己的星系，重量高達數億甚至數十億個太陽。在NANOGrav和其他團隊發佈的出版物中，科學家們描述了他們的分析，同時也展示了引力波如何瀰漫宇宙。他們還推測，如果這些引力波最終不是來自超大質量黑洞，可能還有其他來源——像宇宙弦或宇宙膨脹這樣的奇異候選者。

NANOGrav及其國際同行，如歐洲脈衝星計時陣列，利用銀河系中分散的脈衝星來測量引力波的信號。這些脈衝星有時被稱爲“太空燈塔”，是死亡的大質量恆星的核心，在自身重量下坍塌成爲超新星。其中一些脈衝星每秒旋轉數百次，同時從磁軸發出輻射。研究人員使用這些脈衝作爲難以置信的精確宇宙時鐘，精確定位脈衝星的位置。通過監測這些脈衝星的信號，科學家們能夠探測到引力波對時空的扭曲，從而推斷引力波的存在。

威爾Knight、Dell卡梅隆、阿里安·馬歇爾和帕雷什·戴夫等NANOGrav團隊成員通過測量脈衝星的信號，試圖確定引力波何時推動這些脈衝星，讓銀河系成爲一個巨大的引力波探測器。當巨大黑洞相互碰撞或其他極其高能的過程發生時，會產生引力波，而這些引力波對時空的扭曲非常微小，會影響脈衝星的信號間隔。NANOGrav研究人員測量了68顆脈衝星之間微小的變化，並嘗試找到它們之間的聯繫，發現了一種可能是低頻引力波的跡象。其他合作團隊也在對不同的脈衝星進行類似的研究。

這些團隊花費了十多年的時間進行數據採集和分析，以降低測量結果的不確定性，並確保他們所觀察到的跡象確實是引力波的存在，而不是其他宇宙現象或僅僅是噪音。NANOGrav團隊由近200位成員組成，他們進行了統計分析，發現所觀察到的信號發生的概率小於-1000分之一，這意味着這個結果不太可能是偶然發生的。其他合作團隊也發現了類似的具有顯著統計意義的結果。

儘管這些很可能是來自巨大黑洞的真正引力波的跡象，但研究小組不願用“探測”這個詞來描述他們的發現。九年前，美國BICEP2合作使用南極望遠鏡聲稱探測到了來自大爆炸的原始引力波，但後來發現他們的信號實際上來自銀河系中的塵埃顆粒。這使得研究人員對他們的結論持謹慎態度。“引力波界對這些事情非常謹慎，”。

NANOGrav團隊利用了幾個射電望遠鏡進行測量，包括位於西弗吉尼亞州的格林班克天文臺、新墨西哥州的超大陣列和波多黎各的巨大阿雷西博天文臺。其他團隊使用了來自五個歐洲國家、印度、中國和澳大利亞的射電望遠鏡。最近，更多的望遠鏡加入了這項工作，包括加拿大的CHIME和南非的MeerTime。蘭森表示，美國和中國科學家之間的合作非常值得關注。儘管2011年頒佈了一項名爲沃爾夫修正案的有爭議的法律，禁止美國航天局直接與中國實體合作出於安全考慮，但這種限制不適用於國家科學基金會資助的NANOGrav等項目。蘭森說:“政治因素使我們的一些合作變得棘手。我們必須找到一種合作的方式，因爲當我們這樣做時，科學肯定會更進一步”。

這些團隊通過國際脈衝星計時陣列這種超級合作方式進行相互協調。儘管團隊成員地理分佈廣泛，使得科學家們在不同時區難以進行交流，但他們能夠整合各自的數據集，提高測量的準確性和信心度。

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