科學家們報告了第一個證據，表明我們的地球和我們周圍的宇宙充斥著一種被稱為引力波的時空起伏背景。引力波在數年甚至數十年間緩慢擺動，被認為主要來自於一對超級大質量黑洞在合併前悠閒地旋轉在一起。

藝術家構想的脈衝星集合，可探測到來自成對環繞的超大質量黑洞的引力波。圖片來源：Aurore Simonnet 為NANOGrav 協作小組製作

這一突破性發現是北美引力波納米赫茲天文台（NANOGrav）15 年精心觀測的結果，其詳細內容髮表在《天體物理學雜誌通訊》（The Astrophysical Journal Letters）上的一系列論文中。作為美國國家科學基金會（NSF）資助的物理前沿中心，NANOGrav 由來自美國和加拿大的190 多名科學家組成。他們利用波多黎各阿雷西博天文台、西弗吉尼亞州綠岸望遠鏡和新墨西哥州超大陣列的射電望遠鏡，監測天空中68 顆被稱為脈衝星的死星。這些脈衝星就像一個浮標網絡，在引力波緩慢滾動的海洋中晃動。

NANOGrav團隊成員、加州理工學院物理學助理教授Katerina Chatziioannou說：”引力波對脈衝星的影響非常微弱，很難探測到，但隨著時間的推移，我們收集了更多的數據，對研究結果建立了信心。”今後，我們將繼續進行更多的觀測，並將我們的結果與國際合作夥伴的結果進行比較，這將使我們能夠從數據中學到更多東西。”

Katerina Chatziioannou。資料來源：加州理工學院

NANOGrav團隊成員、噴氣推進實驗室（JPL）首席科學家、加州理工學院天文學訪問學者約瑟夫-拉齊奧（Joseph Lazio）說：”我們有了一種新的方法，可以探測星系核心的巨大黑洞開始緩慢但不可阻擋的死亡螺旋時會發生什麼。我們認為這個過程是許多星系的標準過程，我們已經看到了許多不同步驟的例子，但我們終於開始瞥見其中一個關鍵的最後步驟了。”

約瑟夫-拉齊奧。資料來源：加州理工學院

阿爾伯特-愛因斯坦於1916 年首次提出了引力波的概念。然而，直到大約一個世紀之後，美國國家科學基金會資助的LIGO（激光干涉引力波天文台）才直接探測到了引力波。他們探測到了來自一對遙遠的碰撞黑洞的波。

與LIGO 不同，NANOGrav 所探測的引力波頻率要高得多，顧名思義，NANOGrav 主要探測納赫茲範圍內的低頻引力波，即每幾年一個週期。

較高頻率的引力波來自於較小的黑洞對，它們在碰撞前的最後幾秒鐘迅速繞著對方旋轉，而較低頻率的引力波被認為是由星系中心的巨大黑洞產生的，其質量是太陽的數十億倍，它們緩慢地繞著對方旋轉，在合併前還有數百萬年的時間。

在新的研究中，NANOGrav 被認為捕捉到了來自宇宙中許多對合併的超大質量黑洞的引力波的集體嗡嗡聲。”人們把這種信號比作背景雜音，而不是LIGO 接收到的呼喊聲，”同時也是LIGO 團隊成員和威廉-H-赫特學者的查齊奧安努解釋說。

帕特里克-邁爾斯。資料來源：加州理工學院

“這就好像你在雞尾酒會上，你無法分辨出任何一個人的聲音。我們只能聽到背景噪音，”NANOGrav 團隊成員、加州理工學院博士後學者副研究員帕特里克-邁耶斯（Patrick Meyers）說，他幫助領導了對結果的統計測試。

NANOGrav 的脈衝星網絡也被稱為脈衝星計時陣列。脈衝星是由大質量恆星爆炸形成的，它們發出的光標以非常精確的間隔快速旋轉。”它們就像燈塔上的信標，以固定的速度掠過。你可以預測到幾十納秒的時間。在某些情況下，它們與原子鐘的精度相當。”

當引力波穿越宇宙時，會對時空結構產生輕微的拉伸和擠壓。這種拉伸和擠壓會導致地球與特定脈衝星之間的距離發生微小的變化，從而導致脈衝星閃光時間的延遲或提前。為了尋找引力波的背景嗡嗡聲，科學小組開發了軟件程序來比較其網絡中一對脈衝星的時間。引力波會根據脈衝星在天空中的距離遠近，在不同程度上改變脈衝星的閃光時間，JPL 的羅恩-海靈斯（Ron Hellings）和喬治-唐斯（George Downs）在20 世紀80 年代初首次從理論上計算出這種模式。

米歇爾-瓦利斯內裡。資料來源：加州理工學院

拉齊奧說：”想像一下，成對的超大質量黑洞散佈在海洋上，蕩起許多漣漪。現在，我們坐在地球上，地球就像一個浮標，與脈衝星一起，我們試圖測量漣漪是如何變化並導致其他浮標向我們移動或遠離我們的。”

“為了弄清引力波背景，我們必須弄清許多令人困惑的影響，比如脈衝星的運動、銀河系中自由電子的擾動、射電天文台參考時鐘的不穩定性。” NANOgrav 團隊成員、JPL 高級研究科學家兼加州理工學院理論天體物理學訪問學者Michele Vallisneri 說：”我們在美國國家航空航天局朱諾號和卡西尼號任務的幫助下確定了太陽系中心的精確位置。”

未來的NANOGrav 成果將包括加拿大的CHIME 望遠鏡，該望遠鏡將於2019 年加入該項目。加州理工學院的深層同步陣列-2000（或稱DSA-2000）也將加入搜索行列，這是一個由2000 個射電天線組成的陣列，計劃建在內華達沙漠，2027 年開始運行。

科學家們希望能解答有關合併超大質量黑洞性質的謎團，比如它們有多常見，是什麼讓它們走到了一起，還有什麼其他因素促成了它們的凝聚。

Chatziioannou說：”多年來，人們一直試圖用望遠鏡發現合併的超大質量黑洞。他們的距離越來越近，發現的候選黑洞也越來越多，但由於黑洞靠得太近，很難分辨。有了引力波這個新工具，將有助於更好地了解這些神秘的野獸。”

瓦利斯內裡說：”這真是一個美麗的、不可能完成的實驗：組裝一個銀河系大小的引力波探測器，由整個銀河系的死亡恆星脈衝激發，並彙集了一個由射電天文學家、中子星和黑洞專家以及引力波科學家組成的多學科團隊。”