天体物理学家以新方式探测时空涟漪

这项发表在《天体物理学杂志通讯》（The Astrophysical Journal Letters）上的研究，有朝一日可能帮助解开宇宙最深奥的谜团之一，包括引力在其最根本层面是如何运作的。

天体与行星科学系教授达林（Darling）表示：“通过获取引力波的精确测量数据，我们可以学到很多东西。引力的不同表现形式可能导致多种不同类型的引力波。”

要理解这种波如何运作，可以将地球想象成暴风雨海洋中漂浮的小浮标。

达林解释道，在宇宙历史中，无数超大质量黑洞曾进行一场激烈的共舞：这些庞然大物围绕彼此旋转，速度越来越快，直至猛烈碰撞。科学家们推测，由此产生的碰撞威力极其巨大，它们确实会产生向外扩散至宇宙的涟漪。

这种背景噪声持续不断地掠过我们的星球，尽管你可能永远无法察觉。达林试图测量的这类引力波往往非常缓慢，需要数年甚至数十年时间才能经过我们的星球。

2023年，隶属于NANOGrav合作项目的一组科学家取得重大突破，成功测量了这个宇宙"波池"。该团队记录了宇宙引力波背景如何拉伸和挤压时空，影响了从被称为脉冲星（pulsars）的天体——它们有点像宇宙时钟——射向地球的光线。

但这些详细测量仅捕捉到了引力波单向运动的模式——类似于海浪直接朝向或远离海岸线的流动方式。与此相反，达林希望观察引力波相对于地球的左右和上下运动方式。

在他最新的研究中，这位天体物理学家得到了另一类天体的帮助：类星体（quasars），即位于星系中心异常明亮、超大质量的黑洞。达林通过精确测量天空中类星体彼此间的相对运动，来搜寻引力波信号。他尚未探测到这些信号，但随着更多数据的获得，情况可能会改变。

“引力波在三维空间中运作，”达林说。“它们会沿着我们的视线方向拉伸和挤压时空，但也会导致天体在天空中呈现出前后移动的现象。”

运动中的星系

该研究深入探讨了研究天体如何运动这一著名的棘手任务，该领域被称为天体测量学（astrometry）。

达林解释说，类星体距离地球数百万光年甚至更远。当这些天体发出的光芒射向地球时，其路径并非一定是直线。相反，经过的引力波会使光线发生偏折，几乎就像棒球投手投出弧线球一样。

这些类星体实际上并未在空间中移动，但从地球上看，它们似乎像是在运动——一种环绕我们四周的宇宙级“扭动”。

“如果你能活数百万年，并且真能观测到这些极其微小的运动，你会看到这些类星体在前后扭动，”达林说。

或者这只是理论。实践中，科学家们一直难以观测到这种扭动。部分原因是这些运动极其细微，所需的观测精度比在地球上观察月球表面人类指甲生长所需的精度还要高十倍。此外，我们星球自身也在太空中运动。地球以大约每小时67,000英里的速度绕太阳公转，而太阳本身正以惊人的每小时850,000英里的速度穿越太空。

换言之，要探测引力波信号，需要将地球自身的运动与类星体的视运动区分开来。为了开始这个过程，达林利用了欧洲航天局盖亚卫星（Gaia）的数据。自2013年盖亚卫星发射以来，其科学团队已发布了约三年时间内对超过一百万个类星体的观测结果。

达林获取了这些观测数据，将类星体配对分组，然后仔细测量了这些配对天体彼此间的相对运动。

他的发现目前不足以证明是引力波导致类星体扭动。但达林表示，这是一项重要的探索——例如，解开引力波的物理机制，可以帮助科学家理解宇宙中星系如何演化，并检验关于引力的基本假设。

这位天体物理学家可能很快会在这方面获得更多帮助。2026年，盖亚团队计划再发布五年半的类星体观测数据，这将提供一个新的数据宝库，或许能揭示宇宙引力波背景的秘密。

他说：“如果我们能观测到数百万个类星体，那么也许我们就能在这个庞大的数据集中挖掘出这些信号。”