当你在平静的湖面丢下一块石头，你会看到水面荡起了一圈圈向外扩散的涟漪。现在，如果把宇宙想象成这样的湖面，那么像黑洞或者中子星这样的致密天体间的碰撞，就是激起这些涟漪的石头。而这些涟漪，就是我们说的引力波。

事实上，除了引力波，天文学家认为在整个宇宙中，还弥漫着引力波背景。2024年12月3日，在三篇发表于《皇家天文学会月刊》的论文中，天文学家利用MeerKAT射电望远镜捕捉到了“引力波背景”的新证据，还绘制了一幅迄今为止最详细的引力波背景图。那么，什么是引力波背景？我们又该如何探测它呢？

引力波背景。图：Carl Knox, OzGrav/Swinburne University of Technology and South African Radio Astronomy Observatory (SARAO)

宇宙的嗡嗡声

对于大多数人来说，第一次“听见”引力波是在2016年。当时，LIGO（激光干涉引力波天文台）团队宣布，他们探测到了由两个恒星级黑洞并合产生的引力波。这是引力波的首次直接探测，不仅验证了爱因斯坦的理论，还开启了引力波天文学的新时代！

然而，LIGO探测到的高频引力波，仅仅只是整个引力波谱的一部分。高频引力波的波长较短，适合用地球上的探测器捕捉，除了LIGO之外，还有Virgo等探测器都可以捕捉这类型的引力波。在引力波谱的另一端，则是波长超长的“低频引力波”，它们的波长可以长达几光年，通常是由星系中心的超大质量黑洞在相互绕转或并合时产生的。这些黑洞的质量是太阳的几百万倍甚至几十亿倍！

引力波谱。图：ESA

当来自宇宙各地的低频引力波信号叠加在一起时，就形成了一种整体性的背景“嗡嗡声”。想象一下，在一个嘈杂的房间里，尽管你听不清楚每个人在说什么，但整体的嗡嗡声却很清楚。天文学家把这种背景噪声称为引力波背景。

低频引力波：怎么探测？

但问题是，低频引力波的波长太长了，要探测这种引力波，我们需要一个与其波长相当的探测器。换句话说，我们需要的是一个覆盖银河系的超大探测器！对于现有的技术而言，这简直就是天方夜谭，但天文学家却找到了一个绝妙的解决办法——脉冲星计时阵。

什么是脉冲星呢？简单来说，脉冲星是一种高速旋转的中子星，它们每秒可自转数百次。它们就像宇宙中的“灯塔”，以极其稳定的节奏向地球发射信号。这些信号的到达时间精准到纳秒级，所以脉冲星可以被视为超精密的宇宙时钟。

天文学家通过寻找分布在不同方向的脉冲星，利用它们之间的相对位置，构建了一个类似银河系规模的脉冲星网络。每颗脉冲星就像一个“探测点”，多个探测点协同工作，就相当于构建了一个银河系级别的引力波探测器。

那么，如何利用这张“脉冲星网络”来检测引力波背景呢？

脉冲星计时阵。图：M. Kramer / MPIfR / EPTA

当引力波穿过地球与脉冲星之间的空间时，会稍微拉伸或压缩时空，从而使脉冲星信号到达地球的时间发生轻微的偏差。想象一下，一个超级稳定的“宇宙时钟”，它的时间变得稍微快了或慢了——这就是引力波留下的痕迹。

引力波背景的存在会导致脉冲星对之间的信号到达时间产生特定的相关性。这种相关性并不是凭空猜测出来的，而是由理论严格推导的。天文学家将这种模式绘制成一条叫做Hellings-Downs曲线的图，它描述了不同方向的脉冲星对之间的时间延迟相关性如何随着它们在天空中的夹角变化而变化。

这条曲线的特别之处在于，它与引力波的传播方向无关，成为了检测引力波背景的重要标准。如果观测数据与Hellings-Downs曲线吻合，就意味着我们成功探测到了引力波背景。如果数据偏离这条曲线，那可能是观测噪声或其他干扰因素引起的，需要进一步验证。

引力波背景图

在新的研究中，天文学家利用了MeerKAT射电望远镜来观测脉冲星。这台位于南非的超级望远镜由64个天线阵列组成，它的灵敏度非常高，可以捕捉到来自宇宙深处的微弱信号。

MeerKAT射电望远镜。图：Space in Africa

天文学家利用它对83颗脉冲星进行了4.5年的观测，精确记录了这些脉冲星信号到达地球的时间。分析结果显示，观测数据与“Hellings-Downs曲线”吻合的非常好，为引力波背景存在提供了有力的证据。
观测到的引力波背景的确凿证据——Hellings-Downs曲线。图：Miles et al. 2024

此外，研究人员还绘制了迄今为止最详细的引力波背景图。通常认为，引力波背景应该在天空中均匀分布，但新绘制的图显示，在南半球天空中出现了一个引力波活动的“热点”。这个热点可能是一个异常巨大的双超大质量黑洞系统发出的信号。不过，科学家还不确定这个热点是信号本身，还是观测数据的噪声造成的偏差。这就像你在嘈杂的房间里听到一阵嗡嗡声时，发现某个角落的声音特别响，但却无法确认到底是某人大声说话，还是音响出现了问题。

在南半球发现的一个“热点”。图：Rowina Nathan

仍有许多谜题

值得注意的是，引力波背景的具体来源仍然是个谜。虽然目前主流观点认为它主要来源于超大质量黑洞的并合，但其他可能性也未被排除。例如，早期宇宙中的“气泡”碰撞也可能会产生引力波。

未来，MeerKAT团队将与全球其他脉冲星计时阵合作，整合更多数据。通过国际协作，天文学家希望解锁更多关于黑洞、早期宇宙和其他未知物理现象的谜团。或许有一天，通过倾听宇宙的嗡嗡声，我们将解开那些前所未见的秘密。

论文链接：
https://academic.oup.com/mnras/advance-article/doi/10.1093/mnras/stae2571/7912548
https://academic.oup.com/mnras/advance-article/doi/10.1093/mnras/stae2572/7912547
https://academic.oup.com/mnras/advance-article/doi/10.1093/mnras/stae2573/7912549

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者名称：李兆滢

审核：韩文标 中科院上海天文台 研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 星空计划

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