天体物理学家以新方法搜寻时空涟漪

这项发表在The Astrophysical Journal Letters（《天体物理学杂志快报》）上的研究，有朝一日可能帮助解开宇宙最深奥的谜团之一，包括引力在最基本层面上如何运作。

"通过精确测量引力波，我们可以学到很多东西，"天体物理与行星科学系教授达林表示。"不同类型的引力可能导致产生多种不同的引力波。"

要理解这种波如何运作，可以将地球想象成在暴风雨海洋中漂浮的小浮标。

达林解释说，在整个宇宙历史中，无数个超大质量黑洞一直在进行一场剧烈的双人舞：这些庞然大物围绕彼此旋转的速度越来越快，直至相互碰撞。科学家推测由此产生的碰撞威力巨大，它们确实能产生向宇宙扩散的涟漪。

这种背景噪音时刻冲刷着我们的星球，尽管人类毫无察觉。达林试图测量的引力波类型通常非常缓慢，需要数年甚至数十年时间才能经过地球。

2023年，NANOGrav合作项目的科学家团队取得突破，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，影响从被称为脉冲星（其作用类似宇宙时钟）的天体传至地球的光线。

但这些详细测量仅捕捉到引力波单一方向的运动模式——类似于波浪径直涌向海岸或从海岸退去。相反，达林希望观测引力波相对于地球的左右及上下运动。

在最新研究中，这位天体物理学家借助了另一类天体：类星体，即位于星系中心异常明亮的超大质量黑洞。达林通过精确测量天空中类星体间的相对运动来搜寻引力波信号。虽然目前尚未探测到这些信号，但随着更多数据的获取，情况可能改变。

"引力波在三维空间运行，"达林说。"它们会沿视线方向拉伸和挤压时空，同时也会导致天体在天空中看似前后移动。"

运动中的星系

该研究聚焦于天体运动研究（称为天体测量学）这一众所周知的复杂任务。

达林解释，类星体距离地球数百万光年或更远。当这些天体的光芒射向地球时，其路径未必是直线。途经的引力波会使光线发生偏折，几乎就像棒球投手投出曲球。

这些类星体实际并未在空间中移动，但从地球观测却看似在动——仿佛我们周围正发生着一种宇宙级的摆动。

"如果你能活几百万年，并能实际观测这些极其微小的运动，就会看到类星体在来回摆动，"达林说。

至少理论如此。实践中，科学家们一直难以观测到这种摆动。部分原因是这些运动极难观测，所需的观测精度必须达到在地球上监测月球表面人类指甲生长速度的十倍。但地球自身也在太空中运动：我们的星球以约每小时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，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。为此，达林调用了欧洲航天局盖亚卫星的数据。自2013年发射以来，盖亚科学团队已发布约三年内对逾百万个类星体的观测数据。

达林将这些观测数据中的类星体配对，并精确测量各对类星体间的相对运动。

他的发现尚不足以证明引力波导致类星体摆动。但达林表示这是重要的探索——例如，阐明引力波物理机制可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获得助力。2026年，盖亚团队计划再发布五年半的类星体观测数据，提供可能揭示宇宙引力波背景奥秘的新数据集。

"如果我们能观测数百万个类星体，或许就能在这个庞大数据库中发现隐藏的信号，"他说。