宇宙早期的相变过程中，气泡碰撞产生超低频引力波的艺术想象图。（图片来源：Riccardo Buscicchio）
一个多世纪前，爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波，如今，“聆听”引力波已经成为人类观测宇宙的重要方式。目前，天文学家距离观测到“超低频引力波”或许只有一步之遥，它或许能帮助我们揭开超大质量黑洞或早期宇宙的奥秘。
撰文｜Passant Rabie编译｜郑昱虹审校｜王昱
大规模、剧烈的天文事件可以产生引力波。自2015年9月首次探测到引力波以来，科学家持续监听这些宇宙中的低沉“声音”，但他们一直未能探测到超低频引力波。主流理论认为，超低频引力波是由超大质量天体相互碰撞、或大爆炸后不久的某些事件产生的。因此，超低频引力波可以为我们揭示古老的黑洞或早期宇宙的奥秘。在近日发表于《自然·天文学》的一项研究中，来自伯明翰大学（University of Birmingham）的研究人员建议，我们可以结合不同的观测方法探测超低频引力波。
什么是超低频引力波？
天文学家主要依靠电磁辐射（也就是光）研究太空。但是光在传播过程中会与外太空的物质（比如尘埃）相互作用，这导致我们的“视野”中，星空是模糊的。而引力波可以让我们“聆听”宇宙。引力波由大质量物质加速运动产生，以光速穿越宇宙，引发时空的涟漪。借助激光干涉引力波天文台（LIGO）和室女座探测器（Virgo detector），科学家可以监听引力波。。
但是目前为止，探测到的大部分引力波频率高于毫赫兹级别，纳赫兹级别的超低频引力波则很难被探测到。前者由普通恒星或20～30倍太阳质量的较小黑洞产生，而后者可能由数百万至数十亿倍太阳质量的超大质量黑洞的合并引起，还可能来自大爆炸后不久发生的事件，远早于星系形成。
弗兰克·欧姆（Frank Ohme）是马克斯·普朗克独立引力物理研究组（Independent Max Planck Research Group）的负责人，他解释说，引力波的振荡频率取决于其产生的原因。“（不同频率的）引力波的效果是一样的；它会拉伸和挤压空间和时间，”欧姆说，“低频的信号要慢一些，所以物体挤压和拉伸所需的时间比高频信号长得多。”
如何探测超低频引力波？
这篇论文的主要作者克里斯托弗·摩尔（Christopher Moore）是伯明翰大学引力波天文研究所（Institute for Gravitational Wave Astronomy）和物理与天文学院的研究员，他对引力波进行了多年研究。摩尔说：“我一直对引力波感兴趣，但在大部分时间里，超低频引力波比高频引力波受到的关注少得多，不过我认为这种情况开始改变了。”
探测超低频引力波的主要方法是利用脉冲星。脉冲星是一种致密的、高度磁化的恒星，它在旋转的同时规律地发出无线电波脉冲，有“宇宙灯塔”之称。超低频引力波可能让脉冲星发出的电波间隔时间产生微小的变化，科学家就利用这些变化来寻找这种引力波。摩尔说：“大自然慷慨地给予了我们快速旋转的毫秒脉冲星，它们是天然的时钟。毫秒脉冲星以极其稳定的方式旋转，这使它们成为精确的计时仪器。如果引力波穿过地球，你也会看到时钟加速或减速。”
虽然利用毫秒脉冲星可能会是探测超低频引力波的主要方法，但这项新研究的作者认为，毫秒脉冲星的信号变化不足以反映引力波的来源。今年1月，北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）通过遥远的脉冲星信号，探测到可能存在超低频引力波的迹象，但这些迹象尚未得到证实。
NANOGrav通过检测脉冲星射电信号到达时间的变化间接探测引力波。图片来源：Tonia Klein/NANOGrav
因此，这项研究的研究者们建议，需要结合多种方法探究超低频引力波的来源。“我们想通过这篇论文表达，除了脉冲星计时，我们需要寻找其他探测器、仪器、实验……任何能检测到引力波的方法，都可能有所帮助。”摩尔说。
作者的建议之一，是将脉冲星数据与欧洲航天局（the European Space Agency）盖亚任务（Gaia mission）的观测结果结合起来。作者还建议研究宇宙大爆炸的核合成模型（Big Bang nucleosynthesis），它是基于大爆炸后不久存在的原子种类建立的早期宇宙模型。“这两种方法都还不能探测到引力波，但它们可以为引力波的频率设定边界。”摩尔说。尽管这篇论文没有得出关于超低频引力波的决定性答案，但它是在今后开展超低频引力波研究的第一步。
为什么要研究超低频引力波？
自从研究人员首次发现引力波以来，这些穿越时空的涟漪为人类开启了观察宇宙的新领域。现在，科学家或许即将“解锁”超低频引力波，这是激动人心的时代，我们在“聆听”宇宙之音。
欧姆说：“我们刚刚开始探索宇宙中的超大质量黑洞，我们尚不确定它们的质量和数量。因为它们很重，它们产生的引力波不仅频率较低，而且其本身非常“响”。所以黑洞越重，它们产生的时空扭曲就越大，我们就可以看得更远。”
但是，要想让超低频引力波提供有用的信息，科学家就必须知道它的来源。“这是关键。”摩尔说，“我们是在观察离我们较近的黑洞发出的信号，还是在目睹与大爆炸的时间更接近的、更古老的宇宙进程？” 摩尔预测，科学家将在不远的将来探测到超低频引力波。这可能有助于我们进一步理解宇宙或超大质量黑洞的形成。“这是研究天文学的全新方式，非常令人兴奋。”摩尔说。
原文链接：
https://www.inverse.com/science/low-frequency-gravitational-waves
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41550-021-01489-8
