摘要
直到最近，观测宇宙的唯一方法是通过望远镜接收到的光。但我们现在能够测量引力波，这是阿尔伯特·爱因斯坦预测的宇宙结构中的涟漪。如果两个密度非常大的物体(比如黑洞)彼此紧密环绕，它们就会扭曲空间并发出引力波。对于与太阳质量相似的黑洞，科学家们使用地球上的LIGO探测器。但对于宇宙中最大的黑洞(比太阳大数十亿倍)，科学家们监测的是横跨银河系的快速旋转中子星(称为脉冲星)。任何经过的引力波都会改变这些脉冲星发出的无线电信号到达地球所需的时间。NANOGrav合作组织在11年的时间里监测了34颗脉冲星，试图探测来自巨大黑洞的引力波。
简介
你可能听过这句话:“上升的东西一定会下降。”但这是为什么呢?这是因为一切(你、我、火箭、雨滴)都被重力拉向地球。对于较大的物体，这种拉力的强度更强，但对于距离较远的物体，这种拉力就会变弱。火箭只有通过燃烧大量燃料，产生比地球引力更强的向上“推力”，才能摆脱地球引力的引力。
令人惊奇的是，重力并不是地球独有的;宇宙中的所有物体都受到同样类型的引力，这种引力使恒星、太阳系和星系聚在一起。甚至在100年前，天文学家就知道如何预测太阳系天体在夜空中的出现位置。但他们不知道重力到底是什么。这时阿尔伯特·爱因斯坦有了一个非常伟大的想法:我们所说的重力并不是像拴在绳子上那样的“拉力”。在爱因斯坦的理论中，空间更像一条有弹性的毯子，而不是一张硬桌子;每个物体都会在这层毯子里下陷，但越大的物体下陷越大。所以，像太阳这样的恒星会有一个很大的倾角，而地球的倾角要小得多图1)．地球移动得足够慢，以至于它正在向太阳的下沉方向下落，但也足够快，以至于它不会立即旋转:这被称为轨道。
- 图1 -地球在空间结构中有一个倾角，就像所有其他物体一样。
- 物体质量越大，倾角就越大。这就是引力产生的原因，使其他物体(如卫星)能够绕轨道运行。图片来源:美国宇航局，https://www.nasa.gov/mission_pages/gpb/gpb_012.html．
引力波
由于太空与其说是一张硬桌子，不如说是一张毯子，它可以挤压和拉伸来制造波澜。你可以想象一下，你和一群朋友站成一圈，每人拿着一张圆形毯子的一部分。如果坐在毯子对面的朋友上下摇动他的那部分，那么你的那部分也会摇动。即使你的那部分毯子似乎和你朋友的那部分在同一时间摇晃，但波浪到达你只花了很短的时间。同样的事情也发生在空间中，只是空间非常坚硬，所以只有巨大的物体才能产生大浪。如果有两个物体在一个轨道上绕着对方运动，它们就会对空间产生足够大的震动，从而产生波浪。这些波被称为引力波，它们以光速移动。
当引力波传播时，它会拉伸和挤压空间。但是这种拉伸和挤压并不是沿着波移动的方向发生的。相反，拉伸和挤压发生在与引力波运动方向垂直的方向上图2)．科学家们最近使用专门的设备建立了足够灵敏的大型实验，以测量这种拉伸和挤压，例如LIGO［1),处女座［2］．但是，如上所述，空间是非常坚硬的，所以我们仍然只能测量来自非常接近的特殊类型的密集天体的波。这些对象被称为中子星而且黑洞．
- 图2 -引力波以光速传播。
- 它们在垂直于运动方向的平面上拉伸和挤压空间结构。图片来源:图片来源:Markus Pössel/Einstein-online.info
中子星和黑洞
就像火箭一样，恒星必须燃烧大量的燃料来产生向外的推力，以阻止引力使恒星坍缩。当一颗恒星耗尽燃料时，它开始向内坍缩，但在整个过程中可以避免两次完全坍缩。第一次是当恒星内部的原子不能再挤得更紧的时候。这能挽救恒星一段时间，但如果恒星足够大，引力就会强大到把所有原子都挤在一起。这颗恒星在重力作用下坍缩的最后机会是原子的微小组成部分，即中子，停止自己被挤压在一起。这就产生了所谓的中子星。中子星中的物质是如此紧密地聚集在一起，一勺的重量相当于一座摩天大楼!最后，如果我们有一个非常巨大的恒星，那么即使是中子抵抗挤压的能力也不能阻止完全坍缩。恒星的完全坍缩形成了黑洞。黑洞不是由物质构成的; they are made of gravity itself, creating a dip in the fabric of space that is so deep that not even light can escape its pull; this is why they are called “black” holes.
测量宇宙中最大质量的黑洞
有时，黑洞可以配对在一起并绕另一个黑洞运行(参见图3)．当两个黑洞在轨道上非常接近时，它们可以发射引力波。一组科学家打来电话NANOGrav(北美纳赫兹引力波天文台的简称)[3.一直在寻找宇宙中质量最大的一对黑洞发出的引力波。这些黑洞的质量可能相当于10亿个太阳，而且只在巨型星系的中心被发现。在宇宙的历史中，星系相互碰撞，形成了更大的星系。在这些碰撞中，来自星系中心的黑洞配对，发出引力波的周期(每个波峰之间的时间)为几年到几十年。由于黑洞不发射任何光，探测它们的唯一方法就是引力波。测量引力波是一种观察宇宙的全新方式，这些测量将告诉我们更多关于引力的真实本质。
- 图3 -两个相互环绕的黑洞会在空间中产生涟漪，称为引力波。
- 这些波将能量从黑洞的轨道上带走，导致两者最终合并。图片来源:LIGO/T。派尔,https://www.ligo.caltech.edu/image/ligo20160615f．
脉冲星定时阵列
NANOGrav使用脉冲星定时阵列来搜索引力波(家长会) [4］．脉冲星是一种特殊的中子星，它旋转速度非常快(每秒可旋转数百次)，并发射出无线电波(见图左侧)图4)．当脉冲星旋转时，它会向地球发射无线电波束，我们将其测量为无线电“脉冲”。这就像一座灯塔，它总是在晚上发光，但我们只有在它转向我们的时候才能看到它的光。脉冲星非常可靠;我们可以非常准确地预测无线电脉冲何时到达地球。这意味着我们可以像使用秒表一样使用脉冲星，通过从脉冲星上观测到的无线电脉冲的数量来标记时间的流逝。脉冲星是很好的秒表，多年来都很可靠。
- 图4 -脉冲星(左)是一种非常特殊的中子星，每秒可旋转数百次。
- 它们定期发射无线电波束，这些波束在地球上可以非常精确地测量。通过观测银河系中的许多脉冲星(右)，我们可以寻找射电脉冲到达时间的任何共同变化。这些变化可能是由穿越银河系的引力波引起的。右图是一幅漫画插图，描绘了银河系中的四颗脉冲星(灰色区域带有黄色恒星)向我们的太阳系发射无线电波。图片来源:Tonia Klein/Jeffrey hazbourne / NANOGrav物理前沿中心。
如果引力波穿过地球和脉冲星之间的空间，它会拉伸和挤压这个空间。如果空间被拉长，无线电波束到达地球所需的时间将比预期的要长;脉搏会晚到!如果空间被压缩，则相反，因为无线电脉冲将比预期更早到达。我们可以减去我们预测的无线电脉冲时间应该从我们的实际观察出发，看看差异。这种差异可能是引力波造成的!NANOGrav(以及欧洲、澳大利亚、印度、南非和中国的其他团队)一直在使用射电望远镜观测大量脉冲星，以形成一个可以捕捉引力波的大“网”。
NANOGrav的新发现
在NANOGrav最近的狩猎中5在过去的11年里，天文学家每隔几周就会观测到34颗脉冲星。我们没有发现任何引力波，但我们也知道，我们的信号需要很长时间才能在所有可能影响脉冲星的噪音和奇怪的东西之上脱颖而出。尽管我们还没有发现任何东西，但我们认为再过3年，或者最多7年，我们就会发现。6］．我们可能还没有看到任何波浪，但没有波浪使我们能够推翻其他科学家的预测，他们认为我们现在应该看到一些东西。我们的数据将帮助这些科学家修正和更新他们的预测。我们得到的结果也帮助我们了解宇宙中大质量黑洞合并的频率。我们还发现，周期为1年的引力波对空间造成的拉伸和挤压非常非常小，以至于它们对地球大小的改变只有人类DNA链宽度的10倍左右图5）！
- 图5 - NANOGrav限制了引力波引起的分数压缩的大小。
- 我们对11年脉冲星计时数据的分析已经排除了红色区域的一切。绿色区域显示了其他科学家预测引力波的范围。
未来
我们期待引力波天文学的未来会非常令人兴奋，让我们能够看到其他望远镜看不到的宇宙部分。在不久的将来，利用脉冲星定时阵列探测引力波将是一个巨大的发现。在NANOGrav中，我们正在检查脉冲星网中其他类型的引力波，并将在明年报告它们。我们也在不断地寻找新的脉冲星来填补我们网中的漏洞，这样我们就能更好地发现引力波。到目前为止，我们的结果令人着迷，我们正在为不久的那一天做准备，那时我们可以告诉世界，我们已经看到了整个宇宙中最大质量黑洞的引力波!
资金
ST由NANOGrav物理前沿中心资助，该中心由美国国家科学基金会1430284资助。绿岸天文台是美国国家科学基金会的一个设施，由联合大学公司在合作协议下运作。阿雷西博天文台是美国国家科学基金会的一个设施，由中佛罗里达大学与杨氏企业公司和大都会大学合作运营。
术语表
重力波：↑由加速的大质量物体引起的空间和时间上的涟漪。
LIGO：↑代表激光干涉仪引力波天文台。这是一对大型引力波探测器，分别位于华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的利文斯顿。他们在2015年首次探测到引力波。
处女座：↑一个与LIGO类似的引力波探测器，但位于意大利。
中子星：↑当一颗普通恒星耗尽燃料并由于引力而坍缩时，就会形成一个密度非常大的物体。坍缩是由抵抗重力的中子压力中止的。
黑洞：↑当一颗恒星无法阻止引力引起的完全坍缩时，黑洞就形成了。这是一个密度无穷大的点。甚至连光都无法逃脱。
NANOGrav：↑代表北美纳赫兹引力波天文台。这是一组来自美国和加拿大的科学家，他们利用PTAs来寻找引力波。
家长会：↑代表脉冲星定时阵列。脉冲星是一种特殊类型的旋转中子星，会发出无线电波束。当引力波进入我们的星系时，它们会导致脉冲星射电波束到达时间的变化。我们观察了许多脉冲星，以确认这些变化是由引力波引起的，而不是噪声。
利益冲突声明
作者声明，这项研究是在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。
原文
↑Arzoumanian, Z.， Baker, P. T.， Brazier, A.， Burke-Spolaor, S.， Chamberlin, S. J.， Chatterjee, S.等，纳米重力合作，2018。NANOGrav 11年数据集:随机引力波背景的脉冲星定时约束。12,54。J。859:47。1538 - 4357 . doi: 10.3847 / / aabd3b
参考文献
[1]↑LIGO．网上订购地址:https://www.ligo.caltech.edu/page/what-is-ligo
[２]↑处女座．网上订购地址:http://public.virgo-gw.eu/virgo-in-a-nutshell
[3]↑NANOGrav网站．网上订购地址:http://nanograv.org
[4]↑洛门，A. 2015。脉冲星定时阵列:引力波探测的希望。众议员掠夺。理论物理。78:124901。0034 - 4885/78/12/124901 doi: 10.1088 /
［5］↑Arzoumanian, Z.， Baker, P. T.， Brazier, A.， Burke-Spolaor, S.， Chamberlin, S. J.， Chatterjee, S.等，纳米重力合作，2018。NANOGrav 11年数据集:随机引力波背景的脉冲星定时约束。12,54。J。859:47。1538 - 4357 . doi: 10.3847 / / aabd3b
[6]↑Taylor, s.r.， Vallisneri, M.， Ellis, j.a .， Mingarelli, c.m.f .， Lazio, t.j.w .， and van Haasteren, R. 2016。我们到了吗?基于脉冲星定时阵列限制的纳赫兹引力波探测时间。12,54。j。819: 16种。doi: 10.3847 / 2041 - 8205/819/1 / 16种