合并星系中心的超大質(zhì)量黑洞的凝聚使宇宙充滿了低頻引力波。天文學(xué)家一直在通過使用大型射電望遠(yuǎn)鏡尋找這些波，以尋找這些時(shí)空漣漪對(duì)我們銀河系內(nèi)的脈沖星所發(fā)出的無線電波的微妙影響。現(xiàn)在，一個(gè)國際科學(xué)家小組表明，美國宇航局的費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡收集的高能光也可以用于搜索。使用伽馬射線而不是無線電波可以獲得更清晰的脈沖星視野，并為探測引力波提供了一種獨(dú)立和互補(bǔ)的方式。

費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡在地球上空500公里處運(yùn)行，主要收集來自毫秒脈沖星的伽馬射線。當(dāng)這些高能光子穿越銀河系時(shí)，它們遇到了由在合并星系中心凝聚的一對(duì)超大質(zhì)量黑洞產(chǎn)生的低頻引力波的海洋。波長超過100萬億公里的時(shí)空漣漪導(dǎo)致每個(gè)光子比預(yù)期的時(shí)間稍早或稍晚到達(dá)。監(jiān)測來自許多這些毫秒級(jí)脈沖星的伽馬射線--一個(gè)被稱為脈沖星計(jì)時(shí)陣列的實(shí)驗(yàn)--可以揭示出這種提示性的特征。脈沖星計(jì)時(shí)陣列以前只使用敏感的射電望遠(yuǎn)鏡。現(xiàn)在，來自費(fèi)米的數(shù)據(jù)使基于伽馬射線的脈沖星計(jì)時(shí)陣列成為可能，并對(duì)這些引力波提供了一個(gè)新的、清晰的視角。

包括來自德國波恩馬克斯-普朗克射電天文研究所的Aditya Parthasarathy和Michael Kramer在內(nèi)的一個(gè)國際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)最近發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

在大多數(shù)星系--像我們自己的銀河系那樣由數(shù)千億顆恒星組成的集合體--的核心是一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞。銀河系因其巨大的引力而相互吸引，當(dāng)它們合并時(shí)，它們的黑洞就會(huì)下沉到新的中心。當(dāng)黑洞向內(nèi)旋轉(zhuǎn)和凝聚時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生長長的引力波，在波峰之間延伸出數(shù)百萬億公里。宇宙中充滿了這種合并的超大質(zhì)量黑洞，它們讓宇宙充滿了低頻時(shí)空波紋的“海洋”。

幾十年來，天文學(xué)家一直在通過觀察脈沖星的脈沖來尋找這些波，脈沖星是大質(zhì)量恒星的密集殘留物。脈沖星以極有規(guī)律的方式旋轉(zhuǎn)，天文學(xué)家確切地知道什么時(shí)候可以看到每個(gè)脈沖。然而，引力波的海洋微妙地改變了脈沖到達(dá)地球的時(shí)間，精確地監(jiān)測天空中的許多脈沖星可以揭示其存在。

這個(gè)可視化圖顯示了兩個(gè)質(zhì)量幾乎相等的黑洞(黑球)在螺旋式旋轉(zhuǎn)并合并時(shí)發(fā)出的引力波。黑洞附近的黃色結(jié)構(gòu)說明了該地區(qū)時(shí)空的強(qiáng)曲率。橙色的波紋代表了由快速運(yùn)行的質(zhì)量引起的時(shí)空扭曲。這些扭曲擴(kuò)散并減弱，最終成為引力波(紫色)。合并的時(shí)間尺度取決于黑洞的質(zhì)量。

以前對(duì)這些電波的搜索只使用大型射電望遠(yuǎn)鏡，這些望遠(yuǎn)鏡收集和分析電波。但是現(xiàn)在，一個(gè)國際科學(xué)家小組在美國宇航局費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡收集的十多年的數(shù)據(jù)中尋找這些微小的變化，他們的分析表明，只要再觀察幾年，就有可能檢測到這些波。

由科爾和位于德國波恩的馬克斯-普朗克射電天文研究所(MPIfR)的研究員阿迪塔-帕塔薩拉西共同領(lǐng)導(dǎo)的這項(xiàng)研究的結(jié)果發(fā)表在4月7日的《科學(xué)》雜志上。

光有多種形式。低頻無線電波可以穿過一些物體，而高頻伽馬射線在遇到物質(zhì)的時(shí)候會(huì)爆炸成高能粒子流。引力波的范圍也很廣，質(zhì)量更大的物體往往會(huì)產(chǎn)生更長的波。

不可能建造一個(gè)足夠大的探測器來探測由合并的超大質(zhì)量黑洞驅(qū)動(dòng)的萬億公里的波，所以天文學(xué)家使用自然發(fā)生的探測器，稱為脈沖星計(jì)時(shí)陣列。這些是毫秒級(jí)脈沖星的集合體，它們在無線電波和伽馬射線中都很耀眼，而且每秒鐘旋轉(zhuǎn)數(shù)百次。就像燈塔一樣，這些輻射束在掠過地球時(shí)似乎有規(guī)律地跳動(dòng)，當(dāng)它們穿過引力波的海洋時(shí)，它們被印上了遙遠(yuǎn)的大質(zhì)量黑洞的微弱轟鳴聲。

脈沖星最初是用射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的，用射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的脈沖星計(jì)時(shí)陣列實(shí)驗(yàn)已經(jīng)運(yùn)行了近20年。這些大盤子對(duì)引力波的影響提供了最靈敏的反應(yīng)，但是星際效應(yīng)使無線電數(shù)據(jù)的分析變得復(fù)雜。空間大部分是空的，但是在穿越脈沖星和地球之間的巨大距離時(shí)，無線電波仍然會(huì)遇到許多電子。與棱鏡彎曲可見光的方式類似，星際電子也會(huì)彎曲無線電波并改變它們的到達(dá)時(shí)間。高能伽馬射線不會(huì)受到這種影響，因此它們?yōu)槊}沖星計(jì)時(shí)提供了一種補(bǔ)充性的獨(dú)立方法。

伽馬射線脈沖星計(jì)時(shí)陣列在費(fèi)米號(hào)發(fā)射前沒有被設(shè)想過，它代表了感知引力波天體物理學(xué)的一個(gè)強(qiáng)大的新能力。用脈沖星探測引力波背景指日可待，但仍然很困難。一個(gè)獨(dú)立的方法在這里通過費(fèi)米意外地顯示出來，是一個(gè)好消息，既可以確認(rèn)未來的發(fā)現(xiàn)，又可以證明它與射電實(shí)驗(yàn)的協(xié)同作用。