宇宙的低音：银河系最神秘的天体演奏的“合奏曲”

上面的艺术概念图显示了恒星、黑洞和星云铺在代表时空结构的网格上。这个结构中的涟漪被称为引力波。

NANOGrav合作组织检测到了数十亿倍于太阳质量的黑洞所产生的引力波的证据。图片来源：NANOGrav合作组织；奥罗尔·西蒙内特（Aurore Simonet）

在银河系的中心，有一个超大质量黑洞，它的质量相当于400万个太阳，距离我们约2.6万光年。它被称为人马座A（Sagittarius A，缩写为SgrA），是银河系最神秘的天体之一。

作为一种引力极强的天体，黑洞可以吞噬周围的物质和光线，使它们无法逃逸。但黑洞并不是孤独的存在，它们也会与其他黑洞发生相互作用。

当两个黑洞合并时，它们会产生一种叫做引力波（gravitational wave）的现象，就像在水面上扔下两块石头会形成波纹一样。引力波是由天体在空间中旋转或碰撞时产生的时空扭曲，它们可以改变光的传播路径，使得远处的恒星闪烁或变暗。

引力波可以帮助我们探索黑洞和宇宙的奥秘，但是它们非常难以探测，因为它们很微弱，而且会随着距离而衰减。目前，科学家已经利用地面上和太空中的探测器，捕捉到了来自不同频率和来源的引力波信号。

今年7月，一个名为北美纳赫兹引力波天文台（North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves，NANOGrav）的国际合作项目宣布了一项重大发现：他们发现了首个长波长引力波背景普遍存在于宇宙中的证据，这种引力波背景是由质量高达太阳数十亿倍的超大质量黑洞在合并前相互盘旋数亿年而产生的。

这种信号就像一种宇宙低音，让我们听到了超大质量黑洞在时空中演奏的合奏曲。

爱因斯坦早在一个世纪前就预言了引力波的存在，他在广义相对论中描述了物质和能量如何弯曲时空来产生被我们称为引力的现象。

但直到2015年，人类才首次探测到引力波。这一历史性的发现是由美国激光干涉引力波天文台（LIGO）实现的，LIGO的两个探测器捕捉到了来自两个黑洞合并产生的一个时间极短的引力波信号，持续不到1秒。它经过13亿年的漫长旅行，于2015年9月14日抵达地球。从那以后，LIGO和欧洲处女座引力波探测器（Virgo）还探测到了多个类似的信号，以及来自两个中子星合并的引力波信号。

本次重大发现的主角NANOGrav，是一个由美国和加拿大的190多名科学家组成的国际合作项目，用到了脉冲星计时阵列（pulsar timing array，PTA）。

脉冲星（pulsar）是一种每秒旋转数百次、产生类似灯塔般的无线电波的奇特致密星。这些脉冲如此稳定，以至于可以让我们捕捉到由于时空的拉伸和挤压而导致的微小的时间变化。借助脉冲星，科学家可以把时间预测到几十纳秒的水平，它们在某些情况下具有与原子钟相同的精度。如果对多颗脉冲星进行监测，并且发现它们之间有相同的时间变化模式，也就是模型预言和实际观测之间的计时残差（Timing Residuals），那么我们就可以推断出存在引力波。

目前有三个主要的脉冲星计时阵列项目在进行宇宙引力波背景的探测，除了NANOGrav，还有欧洲脉冲星计时阵列（EPTA）和澳大利亚帕克斯脉冲星测时阵列（PPTA），最近又增加了中国脉冲星测时阵列、印度脉冲星测时阵列（InPTA）和南非脉冲星测时阵列（SAPTA）等新生力量。这些项目使用了世界上最大和最灵敏的射电望远镜，如美国新墨西哥州的甚大阵射电望远镜（Very Large Array，VLA）、澳大利亚新南威尔士州的帕克斯射电天文台（Parkes Observatory）和中国贵州省的500米口径球面射电望远镜（Five hundred meter Aperture Spherical Telescope，FAST）。这些望远镜每隔几周就会观测100多颗脉冲星，并记录它们发出无线电脉冲的精确时间。

NANOGrav已经花了15年的时间，收集了来自多个射电望远镜的高精度数据，包括美国西弗吉尼亚的绿岸射电望远镜（Green Bank Telescope）、美国波多黎各的阿雷西博射电望远镜（Arecibo Observatory）和甚大阵射电望远镜，观测了68颗毫秒脉冲星。

这是一个具有里程碑意义的成果，因为这是人类首次探测到了低频引力波背景，也是首次探测到了超大质量黑洞合并产生的引力波信号。

LIGO探测到的引力波比NANOGrav登记的引力波频率高得多（NANOGrav的名字来自于它探测到的是纳赫兹范围内的低频引力波，即每几年一个周期）。高频引力波来自于较小的黑洞对在碰撞前的最后几秒钟里快速地相互绕行，而低频引力波被认为是由星系中心的巨大黑洞产生的，其质量高达我们太阳的数十亿倍，它们缓慢地绕行，在它们合并前还有数百万年的路程。

在新的研究中，科学家认为NANOGrav已经从整个宇宙中许多对合并的超大质量黑洞里辨别出了引力波的集体“嗡鸣声”。“人们把这个信号比作更多的背景杂音，而不是LIGO所发现的高呼声。”NANOGrav团队成员、美国加州理工学院（Caltech）物理学助理教授卡特琳娜·哈兹约安努（Katerina Chatziioannou）解释说，她同时也是LIGO团队的成员。

低频引力波背景之所以很重要，是因为它可以帮助我们更好地了解黑洞和宇宙的奥秘。低频引力波背景可以让我们知道超大质量黑洞合并的频率和特征，这对于研究银河系和宇宙的演化非常重要。

科学家认为，超大质量黑洞可能是在银河系形成和演化过程中不断吞噬和合并其他黑洞而成长起来的，它们对于银河系的结构和动力学有着重要的影响。通过探测低频引力波背景，我们可以估计出超大质量黑洞合并的速率和分布，从而推断出银河系和宇宙的历史和未来。

通过探测低频引力波背景，我们可以检验广义相对论和其他理论在不同尺度和条件下的预言是否一致，从而发现可能存在的新物理现象或规律。

我们银河系中心的超大质量黑洞人马座A*也可能正在与其他黑洞发生碰撞，或者将来会发生碰撞，这会改变它的质量和形状，并影响我们银河系的演化。

一系列详细介绍NANOGrav最新研究结果的论文已被《天体物理学杂志通讯》（The Astrophysical Journal Letters）接受发表。描述引力波证据的论文题为“NANOGrav 15年数据集：引力波背景的证据”（NANOGrav 15-year Data Set: Evidence for a Gravitational-Wave Background），由两位前喷气推进实验室（JPL）的博士后共同领导，他们分别是萨拉·维格兰（Sarah Vigeland），目前就职于美国威斯康星大学密尔沃基分校（University of Wisconsin, Milwaukee），以及斯蒂芬·泰勒（Stephen Taylor），目前就职于美国范德比尔特大学（Vanderbilt University）。