獵取引力波的背景：NASA的費米伽瑪射線太空望遠鏡搜索時空的漣漪

費米望遠鏡在地球上空500公里處運行，主要收集來自毫秒脈沖星的伽馬射線。當這些高能光子穿越銀河系時，它們遇到了由在合并星系中心凝聚的一對超大質(zhì)量黑洞產(chǎn)生的低頻引力波的海洋。波長超過100萬億公里的時空漣漪導致每個光子比預期的時間稍早或稍晚到達。監(jiān)測來自許多這些毫秒級脈沖星的伽馬射線--一個被稱為脈沖星計時陣列的實驗--可以揭示出這種提示性的特征。脈沖星計時陣列以前只使用敏感的射電望遠鏡。現(xiàn)在，來自費米的數(shù)據(jù)使基于伽馬射線的脈沖星計時陣列成為可能，并對這些引力波提供了一個新的、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)的一個國際科學家團隊的發(fā)現(xiàn)最近發(fā)表在《科學》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--的核心是一個超大質(zhì)量的黑洞。銀河系因其巨大的引力而相互吸引，當它們合并時，它們的黑洞就會下沉到新的中心。當黑洞向內(nèi)旋轉和凝聚時，它們會產(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空波紋的“海洋”。

幾十年來，天文學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，天文學家確切地知道什么時候可以看到每個脈沖。然而，引力波的海洋微妙地改變了脈沖到達地球的時間，精確地監(jiān)測天空中的許多脈沖星可以揭示其存在。

這個可視化圖顯示了兩個質(zhì)量幾乎相等的黑洞（黑球）在螺旋式旋轉并合并時發(fā)出的引力波。黑洞附近的黃色結構說明了該地區(qū)時空的強曲率。橙色的波紋代表了由快速運行的質(zhì)量引起的時空扭曲。這些扭曲擴散并減弱，最終成為引力波（紫色）。合并的時間尺度取決于黑洞的質(zhì)量。

以前對這些電波的搜索只使用大型射電望遠鏡，這些望遠鏡收集和分析電波。但是現(xiàn)在，一個國際科學家小組在美國宇航局費米伽馬射線太空望遠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-帕塔薩拉西共同領導的這項研究的結果發(fā)表在4月7日的《科學》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)的時候會爆炸成高能粒子流。引力波的范圍也很廣，質(zhì)量更大的物體往往會產(chǎn)生更長的波。

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

脈沖星最初是用射電望遠鏡發(fā)現(xiàn)的，用射電望遠鏡進行的脈沖星計時陣列實驗已經(jīng)運行了近20年。這些大盤子對引力波的影響提供了最靈敏的反應，但是星際效應使無線電數(shù)據(jù)的分析變得復雜?？臻g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，無線電波仍然會遇到許多電子。與棱鏡彎曲可見光的方式類似，星際電子也會彎曲無線電波并改變它們的到達時間。高能伽馬射線不會受到這種影響，因此它們?yōu)槊}沖星計時提供了一種補充性的獨立方法。

伽馬射線脈沖星計時陣列在費米號發(fā)射前沒有被設想過，它代表了感知引力波天體物理學的一個強大的新能力。用脈沖星探測引力波背景指日可待，但仍然很困難。一個獨立的方法在這里通過費米意外地顯示出來，是一個好消息，既可以確認未來的發(fā)現(xiàn)，又可以證明它與射電實驗的協(xié)同作用。