天体物理学家以新方式寻找空间和时间中的涟漪
科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder）的天体物理学家杰里米·达林（Jeremy Darling）正在寻求一种测量宇宙引力波背景的新方法，引力波的源源不断地在宇宙中搅动，扭曲了时空的结构。 这项研究发表在《天体物理学杂志快报》上，有朝一日可能有助于解开宇宙中一些最深的奥秘，包括引力在其最基本层面上是如何运作的。 “我们可以从中获得很多东西引力波的精确测量，“天体物理学和行星科学系教授 Darling 说。 “不同种类的引力可能会导致许多不同种类的引力波。” 要了解这些波的工作原理，将地球想象成一个在暴风雨的海洋中晃动的小浮标会有所帮助。 Darling 解释说，纵观宇宙历史，无数超大质量黑洞都在进行一场不稳定的舞蹈：这些庞然大物盘旋而来彼此越来越快，直到他们撞在一起。 科学家们怀疑，由此产生的碰撞非常强大，以至于从字面上看，它们会产生扩散到宇宙中的涟漪。 这种背景噪音一直在我们的星球上空，尽管你永远不会知道。 Darling 试图测量的引力波类型往往非常缓慢，在几年到几十年的时间里经过我们的星球。 2023 年，属于 NANOGrav 的科学家团队合作通过测量宇宙波池实现了一个妙招。 该小组记录了宇宙的引力波背景如何拉伸和挤压时空，从而影响从被称为脉冲星的天体射向地球的光，脉冲星的作用有点像宇宙钟。 但这些详细的测量只捕捉到了引力波如何沿单个方向移动——类似于波直接流向和流离海岸线。 相比之下，达林想看看与地球相比，引力波也会从一侧移动到另一侧和上下移动。 在他的最新研究中，这位天体物理学家从另一类天体那里得到了帮助：类星体，或位于星系中心的异常明亮的超大质量黑洞。 Darling 通过精确测量类星体在天空中彼此之间的移动方式来搜索引力波的信号。 他还没有发现这些信号，但随着更多数据的出现，这种情况可能会发生变化。 “引力波在三个维度上运作，”达林说。 “它们沿着我们的视线拉伸和挤压时空，但它们也使物体看起来在天空中来回移动。” 运动中的星系 该研究深入探讨了研究天体如何运动这一众所周知的棘手任务，这一领域被称为天体测量学。 Darling 解释说，类星体距离地球数百万光年或更远。 当这些物体的光芒加速向地球飞去时，它不一定是直线前进。 相反，通过的引力波会偏转光线，几乎就像棒球投手投掷曲线球一样。 那些类星体实际上并没有在太空中移动，但从地球上看，它们可能看起来像——一种宇宙摆动发生在我们周围。 “如果你活了数百万年，你真的可以观察到这些令人难以置信的微小运动，你会看到这些类星体来回摆动，”达林说。 或这就是理论。 在实践中，科学家们一直在努力观察这些摆动。 部分原因是这些运动很难观察，需要的精度比从地球上观察人类指甲在月球上生长所需的精度高 10 倍。 但我们的星球也在太空中移动。 我们的星球以大约每小时 67,000 英里的速度绕太阳运行，而太阳本身也以每小时 850,000 英里的极速在太空中飞驰。 检测信号换句话说，引力波需要将地球自身的运动与类星体的视运动分开。 为了开始这一过程，达林利用了欧洲航天局盖亚卫星的数据。 自 2013 年盖亚发射以来，其科学团队在大约三年的时间里发布了对超过 100 万个类星体的观测数据。 Darling 根据这些观察结果，将类星体分成对，然后仔细测量这些类星体对的相对移动情况。 他的发现不是足够详细，足以证明引力波正在使类星体摆动。 但是，达林说，这是一项重要的探索——例如，解开引力波的物理学可以帮助科学家了解星系在我们的宇宙中是如何演化的，并帮助他们测试关于引力的基本假设。 天体物理学家很快就会在这一追求中得到一些帮助。 2026 年，Gaia 团队计划再发布五年半的类星体观测数据，提供一个新的宝库这些数据可能只是揭示了宇宙引力波背景的秘密。 “如果我们能看到数百万个类星体，那么也许我们可以找到隐藏在那个非常大的数据集中的信号，”他说。