该图显示了NANOGrav计划在通过观察名为“脉冲星”的宇宙体来试图探测引力波——空间结构波纹。该计划在寻找低水平的引力波背景信号，该信号被认为存在于整个宇宙。图片来源：NANOGrav/T. Klein
科学家们利用“银河系尺度”空间天文台发现了一种引力波独特信号的迹象，或者说，发现了穿越宇宙、扭曲时空结构的强力波纹。
这项新发现来自美国、加拿大联合发起的北美纳赫兹引力波天文台计划（the North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves，简称NANOGrav），已于近日发表在《天体物理学杂志快报》。
在过去的十三多年，NANOGrav的研究人员密切关注着由几十颗脉冲星发出的穿越银河系的光流，试图探测“引力波背景”。这个词从理论上讲是指以稳定通量持续冲刷地球的引力辐射流。该研究成果的第一作者、科罗拉多大学博尔德分校的天体物理学家Joseph Simon表示，该团队目前尚未明确目标的精确位置，但已前所未有地接近目标。
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天体物理学与行星科学系博士后Simon表示，“在我们的数据集中发现了一个强信号。但我们目前还无法断定这个信号是引力波背景。”
2017年，参与激光干涉引力波天文台实验（the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ，简称LIGO）的科学家们凭借首次直接探测到引力波而获诺贝尔物理学奖。这些引力波来自两个距离地球约1.3亿光年的黑洞相互之间的猛烈撞击，该撞击产生了传播到我们太阳系的宇宙波。
那次事件类似镲的敲击——属于剧烈而又短暂的爆发。而Simon及其同事们正在寻找的引力波则恰恰相反，更像是在嘈杂的鸡尾酒晚宴上持续的交谈声。
他还补充说，探测这一背景噪音将会是一项重大的科学成就，将为宇宙运行规律的研究打开新的窗口。例如，这些引力波就可能为科学家们提供新的工具以研究位于很多星系中心的超级黑洞是如何随时间融合的。
科罗拉多大学博尔德分校天体物理学与行星科学系联合教授、NANOGray成员Julie Comerford表示：“这些引力波背景的诱人迹象表明，超级黑洞很可能确实会融合，而我们就在全宇宙星系的超级黑洞融合引发的引力波海洋中浮动。”
Simon将在美国天文学会于周一举办的第237次会议的虚拟新闻发布会上发表团队成果。
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在NANOGray的工作中，Simon和Comeford承担了部分寻找引力波背景的工作，尽管该项工作由各方合作完成，但仍然是一场高风险的国际竞赛。他们的项目加入了另外两个欧洲、澳大利亚的项目，共同构成了国际脉冲星时序阵列（the International Pulsar Timing Array）网络。
Simon表示，至少从理论上说，融合的星系及其他宇宙事件产生了引力波的持续搅动。Simon说，这些波十分庞大——即使一个很简单的波也需要几年甚至更久的时间才能经过地球。因此，没有任何其他现存的实验能够直接探测到它们。
“其他天文台搜寻以秒为尺度的引力波，”Simon说，“而我们在寻找以几年或几十年为尺度的波。”
他和他的同事必须充分发挥创造力。NANOGray团队并不利用地基望远镜寻找引力波，但会用它们观察脉冲星。这些塌缩的星就像银河系的灯塔，以难以置信的速度飞快旋转，以几乎亘古不变的闪烁方式向地球喷射辐射流。
Simon解释说，引力波改变了脉冲星光的稳定模式，拉长或挤压了光线在空间传播的相对距离。也就是说，通过监测脉冲星光抵达地球时间的相关变化，科学家们也许能够轻松观察到引力波背景。
“这些脉冲星旋转得像厨房的搅拌机一样迅速，”他说，“而我们在寻找的却是时间上仅仅几百纳秒的偏差。”
为了寻找这一微妙的信号，NANOGray团队努力观察了尽可能多的脉冲星。目前，该小组已经观察到了45颗，每颗脉冲星都至少观测了3年以上，某些脉冲星的观测时间甚至长达十多年。
这项艰难的工作似乎即将取得成功。在最近的研究中，Simon及其同事汇报说，在他们的数据中已经探测到一个独特的信号：某个常见过程似乎在影响很多脉冲星发出的光。
“我们依次遍历了这些脉冲星，我想我们之前都期望在我们的数据中找到几个特别的脉冲星。”Simon说，“不过后来我们遍历了所有脉冲星，发现‘天呐，这里真的暗藏玄机’！”
研究人员尚不能确定信号来源。他们将需要在数据集中加入更多脉冲星，并进行更长时间的观察，以确定探测到的信号是否真的是引力波背景。
“能够探测引力波背景将是非常重要的一步，但也仅仅是第一步，”他说，“第二步是准确指出是什么产生了这些波，以及发现这些波能告诉我们关于宇宙的哪些信息。”
翻译：耿淑娟
审校：张和持
引进来源：科罗拉多大学博尔德分校
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