在銀河系的中心，有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，它的質(zhì)量相當(dāng)于400萬個(gè)太陽，距離我們約萬光年。它被稱為人馬座A*（Sagittarius A*，縮寫為SgrA*），是銀河系最神秘的天體之一。

(相關(guān)資料圖)

作為一種引力極強(qiáng)的天體，黑洞可以吞噬周圍的物質(zhì)和光線，使它們無法逃逸。但黑洞并不是孤獨(dú)的存在，它們也會(huì)與其他黑洞發(fā)生相互作用。

當(dāng)兩個(gè)黑洞合并時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生一種叫做引力波（gravitational wave）的現(xiàn)象，就像在水面上扔下兩塊石頭會(huì)形成波紋一樣。引力波是由天體在空間中旋轉(zhuǎn)或碰撞時(shí)產(chǎn)生的時(shí)空扭曲，它們可以改變光的傳播路徑，使得遠(yuǎn)處的恒星閃爍或變暗。

引力波可以幫助我們探索黑洞和宇宙的奧秘，但是它們非常難以探測，因?yàn)樗鼈兒芪⑷?，而且?huì)隨著距離而衰減。目前，科學(xué)家已經(jīng)利用地面上和太空中的探測器，捕捉到了來自不同頻率和來源的引力波信號(hào)。

最近，一個(gè)名為北美納赫茲引力波天文臺(tái)（North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves，NANOGrav）的國際合作項(xiàng)目宣布了一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)：他們發(fā)現(xiàn)了首個(gè)長波長引力波背景普遍存在于宇宙中的證據(jù)，這種引力波背景是由質(zhì)量高達(dá)太陽數(shù)十億倍的超大質(zhì)量黑洞在合并前相互盤旋數(shù)億年而產(chǎn)生的。

這種信號(hào)就像一種宇宙低音，讓我們聽到了超大質(zhì)量黑洞在時(shí)空中演奏的合奏曲。

愛因斯坦早在一個(gè)世紀(jì)前就預(yù)言了引力波的存在，他在廣義相對(duì)論中描述了物質(zhì)和能量如何彎曲時(shí)空來產(chǎn)生被我們稱為引力的現(xiàn)象。

但直到2015年，人類才首次探測到引力波。這一歷史性的發(fā)現(xiàn)是由美國激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）實(shí)現(xiàn)的，LIGO的兩個(gè)探測器捕捉到了來自兩個(gè)黑洞合并產(chǎn)生的一個(gè)時(shí)間極短的引力波信號(hào)，持續(xù)不到1秒。它經(jīng)過13億年的漫長旅行，于2015年9月14日抵達(dá)地球。從那以后，LIGO和歐洲處女座引力波探測器（Virgo）還探測到了多個(gè)類似的信號(hào)，以及來自兩個(gè)中子星合并的引力波信號(hào)。

本次重大發(fā)現(xiàn)的主角NANOGrav，是一個(gè)由美國和加拿大的190多名科學(xué)家組成的國際合作項(xiàng)目，用到了脈沖星計(jì)時(shí)陣列（pulsar timing array，PTA）。

脈沖星（pulsar）是一種每秒旋轉(zhuǎn)數(shù)百次、產(chǎn)生類似燈塔般的無線電波的奇特致密星。這些脈沖如此穩(wěn)定，以至于可以讓我們捕捉到由于時(shí)空的拉伸和擠壓而導(dǎo)致的微小的時(shí)間變化。借助脈沖星，科學(xué)家可以把時(shí)間預(yù)測到幾十納秒的水平，它們?cè)谀承┣闆r下具有與原子鐘相同的精度。如果對(duì)多顆脈沖星進(jìn)行監(jiān)測，并且發(fā)現(xiàn)它們之間有相同的時(shí)間變化模式，也就是模型預(yù)言和實(shí)際觀測之間的計(jì)時(shí)殘差（Timing Residuals），那么我們就可以推斷出存在引力波。

目前有三個(gè)主要的脈沖星計(jì)時(shí)陣列項(xiàng)目在進(jìn)行宇宙引力波背景的探測，除了NANOGrav，還有歐洲脈沖星計(jì)時(shí)陣列（EPTA）和澳大利亞帕克斯脈沖星測時(shí)陣列（PPTA），最近又增加了中國脈沖星測時(shí)陣列、印度脈沖星測時(shí)陣列（InPTA）和南非脈沖星測時(shí)陣列（SAPTA）等新生力量。這些項(xiàng)目使用了世界上最大和最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡，如美國新墨西哥州的甚大陣射電望遠(yuǎn)鏡（Very Large Array，VLA）、澳大利亞新南威爾士州的帕克斯射電天文臺(tái)（Parkes Observatory）和中國貴州省的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（Five hundred meter Aperture Spherical Telescope，F(xiàn)AST）。這些望遠(yuǎn)鏡每隔幾周就會(huì)觀測100多顆脈沖星，并記錄它們發(fā)出無線電脈沖的精確時(shí)間。

NANOGrav已經(jīng)花了15年的時(shí)間，收集了來自多個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡的高精度數(shù)據(jù)，包括美國西弗吉尼亞的綠岸射電望遠(yuǎn)鏡（Green Bank Telescope）、美國波多黎各的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡（Arecibo Observatory）和甚大陣射電望遠(yuǎn)鏡，觀測了68顆毫秒脈沖星。

這是一個(gè)具有里程碑意義的成果，因?yàn)檫@是人類首次探測到了低頻引力波背景，也是首次探測到了超大質(zhì)量黑洞合并產(chǎn)生的引力波信號(hào)。

LIGO探測到的引力波比NANOGrav登記的引力波頻率高得多（NANOGrav的名字來自于它探測到的是納赫茲范圍內(nèi)的低頻引力波，即每幾年一個(gè)周期）。高頻引力波來自于較小的黑洞對(duì)在碰撞前的最后幾秒鐘里快速地相互繞行，而低頻引力波被認(rèn)為是由星系中心的巨大黑洞產(chǎn)生的，其質(zhì)量高達(dá)我們太陽的數(shù)十億倍，它們緩慢地繞行，在它們合并前還有數(shù)百萬年的路程。

在新的研究中，科學(xué)家認(rèn)為NANOGrav已經(jīng)從整個(gè)宇宙中許多對(duì)合并的超大質(zhì)量黑洞里辨別出了引力波的集體“嗡鳴聲”?！叭藗儼堰@個(gè)信號(hào)比作更多的背景雜音，而不是LIGO所發(fā)現(xiàn)的高呼聲?！盢ANOGrav團(tuán)隊(duì)成員、美國加州理工學(xué)院（Caltech）物理學(xué)助理教授卡特琳娜·哈茲約安努（Katerina Chatziioannou）解釋說，她同時(shí)也是LIGO團(tuán)隊(duì)的成員。

低頻引力波背景之所以很重要，是因?yàn)樗梢詭椭覀兏玫亓私夂诙春陀钪娴膴W秘。低頻引力波背景可以讓我們知道超大質(zhì)量黑洞合并的頻率和特征，這對(duì)于研究銀河系和宇宙的演化非常重要。

科學(xué)家認(rèn)為，超大質(zhì)量黑洞可能是在銀河系形成和演化過程中不斷吞噬和合并其他黑洞而成長起來的，它們對(duì)于銀河系的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)有著重要的影響。通過探測低頻引力波背景，我們可以估計(jì)出超大質(zhì)量黑洞合并的速率和分布，從而推斷出銀河系和宇宙的歷史和未來。

通過探測低頻引力波背景，我們可以檢驗(yàn)廣義相對(duì)論和其他理論在不同尺度和條件下的預(yù)言是否一致，從而發(fā)現(xiàn)可能存在的新物理現(xiàn)象或規(guī)律。

我們銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞人馬座A*也可能正在與其他黑洞發(fā)生碰撞，或者將來會(huì)發(fā)生碰撞，這會(huì)改變它的質(zhì)量和形狀，并影響我們銀河系的演化。

一系列詳細(xì)介紹NANOGrav最新研究結(jié)果的論文已被《天體物理學(xué)雜志通訊》（The Astrophysical Journal Letters）接受發(fā)表。描述引力波證據(jù)的論文題為“NANOGrav 15年數(shù)據(jù)集：引力波背景的證據(jù)”（NANOGrav 15-year Data Set: Evidence for a Gravitational-Wave Background），由兩位前噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的博士后共同領(lǐng)導(dǎo)，他們分別是薩拉·維格蘭（Sarah Vigeland），目前就職于美國威斯康星大學(xué)密爾沃基分校（University of Wisconsin, Milwaukee），以及斯蒂芬·泰勒（Stephen Taylor），目前就職于美國范德比爾特大學(xué)（Vanderbilt University）。

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