大規(guī)模、劇烈的天文事件可以產(chǎn)生引力波。自2015年9月首次探測(cè)到引力波以來，科學(xué)家一直在持續(xù)監(jiān)聽這些宇宙中的低沉“聲音”，但他們并未能探測(cè)到超低頻引力波。主流理論認(rèn)為，超低頻引力波是由超大質(zhì)量天體相互碰撞或大爆炸后不久的某些事件產(chǎn)生的。因此，超低頻引力波可以為我們揭示古老的黑洞或早期宇宙的奧秘。在近日發(fā)表于《自然·天文學(xué)》的一項(xiàng)研究中，來自英國(guó)伯明翰大學(xué)的研究人員表示可以結(jié)合不同的觀測(cè)方法探測(cè)超低頻引力波。

引力波振蕩頻率取決于其產(chǎn)生的原因

天文學(xué)家主要依靠電磁輻射(也就是光)來研究宇宙。但是光在傳播過程中會(huì)與外太空的物質(zhì)(比如塵埃)相互作用，這就導(dǎo)致在我們的“視野”中，星空是模糊的。而引力波則幾乎不受此限制，可以讓我們更好地“聆聽”宇宙。引力波由大質(zhì)量物質(zhì)加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，以光速穿越宇宙，引發(fā)時(shí)空漣漪。借助激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)和室女座探測(cè)器(Virgodetector)，科學(xué)家可以監(jiān)聽引力波。

但目前為止，科學(xué)家探測(cè)到的大部分引力波頻率都高于毫赫茲級(jí)別，納赫茲級(jí)別的超低頻引力波則很難被探測(cè)到。前者由普通恒星或20—30倍太陽質(zhì)量的較小黑洞產(chǎn)生，而后者則可能由數(shù)百萬至數(shù)十億倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞并合引起，還可能來自大爆炸后不久發(fā)生的事件，遠(yuǎn)早于星系形成。

德國(guó)馬克斯·普朗克獨(dú)立引力物理研究所的負(fù)責(zé)人弗蘭克·歐姆解釋說，引力波的振蕩頻率取決于其產(chǎn)生的原因。“不同頻率的引力波的效果是一樣的;它會(huì)拉伸和擠壓空間和時(shí)間。”歐姆說，“低頻的信號(hào)要慢一些，所以物體擠壓和拉伸所需的時(shí)間比高頻信號(hào)長(zhǎng)得多。”

多手段結(jié)合探測(cè)超低頻引力波

探測(cè)超低頻引力波主要依靠脈沖星，尤其是毫秒脈沖星。脈沖星是一種致密的、高度磁化的恒星，它在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)規(guī)律地發(fā)出無線電波脈沖，因此也被稱為“宇宙燈塔”。超低頻引力波可能讓脈沖星發(fā)出的無線電波脈沖間隔時(shí)間產(chǎn)生微小的變化，科學(xué)家就利用這些變化來尋找這種超低頻引力波。

雖然毫秒脈沖星可能會(huì)是探測(cè)超低頻引力波的主要方法，但研究人員認(rèn)為毫秒脈沖星的信號(hào)變化不足以反映引力波產(chǎn)生的來源。今年1月，北美納赫茲引力波天文臺(tái)(NANOGrav)通過遙遠(yuǎn)的脈沖星信號(hào)，探測(cè)到可能存在的超低頻引力波，但尚未得到證實(shí)。

因此，研究人員建議結(jié)合多種方法來探測(cè)超低頻引力波的來源。“除了脈沖星，我們需要尋找其他探測(cè)器、儀器、實(shí)驗(yàn)……任何能檢測(cè)到引力波的方法，都可能有所幫助。”上述論文主要作者、英國(guó)伯明翰大學(xué)引力波天文研究所和物理與天文學(xué)院的研究員克里斯托弗·摩爾說。

研究人員建議，將脈沖星數(shù)據(jù)與歐洲航天局的“蓋亞”探測(cè)器的觀測(cè)結(jié)果結(jié)合起來;或?qū)τ钪娲蟊ǖ暮撕铣赡Ｐ驼归_研究，它是基于大爆炸后不久存在的原子種類建立的早期宇宙模型。“這兩種方法目前都還不能探測(cè)到引力波，但它們可以為引力波的頻率設(shè)定邊界。”摩爾說。

自從研究人員首次發(fā)現(xiàn)引力波以來，這些穿越時(shí)空的漣漪為人類開啟了觀察宇宙的新領(lǐng)域?，F(xiàn)在，科學(xué)家或許即將“解鎖”超低頻引力波，這是激動(dòng)人心的時(shí)代，我們?cè)?ldquo;聆聽”宇宙之音。

歐姆說：“我們剛剛開始探索宇宙中的超大質(zhì)量黑洞，我們尚不確定它們的質(zhì)量和數(shù)量。因?yàn)樗鼈兒苤?，它們產(chǎn)生的引力波不僅頻率較低，而且其本身非常‘響’。所以黑洞越重，它們產(chǎn)生的時(shí)空扭曲就越大，我們就可以看得更遠(yuǎn)。”

但是，要想讓超低頻引力波提供有用的信息，科學(xué)家就必須知道它的來源。“這是關(guān)鍵。”摩爾說，“因?yàn)樾枰牢覀兪窃谟^察離我們較近的黑洞發(fā)出的信號(hào)，還是在目睹與大爆炸的時(shí)間更接近的、更古老的宇宙進(jìn)程。”摩爾預(yù)測(cè)，科學(xué)家將在不遠(yuǎn)的將來探測(cè)到超低頻引力波。這可能有助于我們進(jìn)一步理解宇宙或超大質(zhì)量黑洞的形成。“這是研究天文學(xué)的全新方式，非常令人興奮。”摩爾說。

標(biāo)簽： 低頻 引力波