探測超低頻引力波，僅有「宇宙燈塔」還不夠

大規模、劇烈的天文事件可以產生引力波。自2015年9月首次探測到引力波以來，科學家一直在持續監聽這些宇宙中的低沉「聲音」，但他們並未能探測到超低頻引力波。主流理論認為，超低頻引力波是由超大質量天體相互碰撞或大爆炸後不久的某些事件產生的。因此，超低頻引力波可以為我們揭示古老的黑洞或早期宇宙的奧秘。在近日發表於《自然·天文學》的一項研究中，來自英國伯明罕大學的研究人員表示可以結合不同的觀測方法探測超低頻引力波。



引力波振盪頻率取決於其產生的原因

天文學家主要依靠電磁輻射（也就是光）來研究宇宙。但是光在傳播過程中會與外太空的物質（比如塵埃）相互作用，這就導致在我們的「視野」中，星空是模糊的。而引力波則幾乎不受此限制，可以讓我們更好地「聆聽」宇宙。引力波由大質量物質加速運動產生，以光速穿越宇宙，引發時空漣漪。藉助雷射干涉引力波天文台（LIGO）和室女座探測器（Virgo detector），科學家可以監聽引力波。

但目前為止，科學家探測到的大部分引力波頻率都高於毫赫茲級別，納赫茲級別的超低頻引力波則很難被探測到。前者由普通恆星或20—30倍太陽質量的較小黑洞產生，而後者則可能由數百萬至數十億倍太陽質量的超大質量黑洞併合引起，還可能來自大爆炸後不久發生的事件，遠早於星系形成。

德國馬克斯·普朗克獨立引力物理研究所的負責人弗蘭克·歐姆解釋說，引力波的振盪頻率取決於其產生的原因。「不同頻率的引力波的效果是一樣的；它會拉伸和擠壓空間和時間。」歐姆說，「低頻的信號要慢一些，所以物體擠壓和拉伸所需的時間比高頻信號長得多。」



多手段結合探測超低頻引力波

探測超低頻引力波主要依靠脈衝星，尤其是毫秒脈衝星。脈衝星是一種緻密的、高度磁化的恆星，它在旋轉的同時規律地發出無線電波脈衝，因此也被稱為「宇宙燈塔」。超低頻引力波可能讓脈衝星發出的無線電波脈衝間隔時間產生微小的變化，科學家就利用這些變化來尋找這種超低頻引力波。

雖然毫秒脈衝星可能會是探測超低頻引力波的主要方法，但研究人員認為毫秒脈衝星的信號變化不足以反映引力波產生的來源。今年1月，北美納赫茲引力波天文台（NANOGrav）通過遙遠的脈衝星信號，探測到可能存在的超低頻引力波，但尚未得到證實。

因此，研究人員建議結合多種方法來探測超低頻引力波的來源。「除了脈衝星，我們需要尋找其他探測器、儀器、實驗……任何能檢測到引力波的方法，都可能有所幫助。」上述論文主要作者、英國伯明罕大學引力波天文研究所和物理與天文學院的研究員克里斯多福·摩爾說。

研究人員建議，將脈衝星數據與歐洲航天局的「蓋亞」探測器的觀測結果結合起來；或對宇宙大爆炸的核合成模型展開研究，它是基於大爆炸後不久存在的原子種類建立的早期宇宙模型。「這兩種方法目前都還不能探測到引力波，但它們可以為引力波的頻率設定邊界。」摩爾說。



自從研究人員首次發現引力波以來，這些穿越時空的漣漪為人類開啟了觀察宇宙的新領域。現在，科學家或許即將「解鎖」超低頻引力波，這是激動人心的時代，我們在「聆聽」宇宙之音。

歐姆說：「我們剛剛開始探索宇宙中的超大質量黑洞，我們尚不確定它們的質量和數量。因為它們很重，它們產生的引力波不僅頻率較低，而且其本身非常『響』。所以黑洞越重，它們產生的時空扭曲就越大，我們就可以看得更遠。」

但是，要想讓超低頻引力波提供有用的信息，科學家就必須知道它的來源。「這是關鍵。」摩爾說，「因為需要知道我們是在觀察離我們較近的黑洞發出的信號，還是在目睹與大爆炸的時間更接近的、更古老的宇宙進程。」摩爾預測，科學家將在不遠的將來探測到超低頻引力波。這可能有助於我們進一步理解宇宙或超大質量黑洞的形成。「這是研究天文學的全新方式，非常令人興奮。」摩爾說。