超大質量黑洞合併的聲音並沒有充滿整個宇宙。
在過去的十年裡，北美奈米赫茲引力波天文臺（NANOGrav）合作組織的科學家們一直在聆聽低頻引力波的持續“嗡嗡聲”。
理論工作表明，這種由涉及超大質量黑洞（其質量是太陽的數百萬或數十億倍）的碰撞產生的嗡嗡聲，應該可以在地球上被探測到。一項新的研究表明，NANOGrav 尚未聽到這種嗡嗡聲，但這種未探測到的情況本身就是一個有趣的結果，揭示了星系可能如何演化和合並的新細節。 [ 引力波搜尋圖片]
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銀河引力波探測器
引力波——扭曲時空結構本身的宇宙漣漪——最早由阿爾伯特·愛因斯坦在他的1916年廣義相對論中預測。
這些漣漪的首次直接探測是今年早些時候宣佈的，由雷射干涉引力波天文臺（LIGO）專案的研究人員進行。LIGO發現的波來自兩個質量分別為太陽的29倍和36倍的黑洞之間的宇宙碰撞輻射。
耗資10億美元的LIGO實驗在兩個2.5英里長（4公里）的臂末端之間來回反射雷射束。如果引力波穿過探測器，其中一個臂的長度將與其他臂相比發生非常輕微的變化，從而影響雷射到達的時間，偏差僅為一秒的一小部分。
NANOGrav的工作原理大致相同，但它使用脈衝星（每秒高速旋轉數百次的死亡恆星）而不是地球上的雷射束。而且，它搜尋的是超大質量黑洞。
脈衝星從其磁南北極發射輻射束。如果脈衝星恰好與地球對齊，天文學家將看到其輻射閃爍，就像觀察者可以看到燈塔的光束一樣。這些閃爍可能包含引力波的證據。
加州理工學院帕薩迪納分校的天文學家基亞拉·明加雷利在接受Space.com採訪時說：“當引力波穿過銀河系時，它會拉伸和擠壓時空，使脈衝星和地球晃動。” “我們可以透過觀察脈衝到達時間的改變來測量這種晃動。”
明加雷利補充說：“兩顆脈衝星“就像LIGO上的干涉儀臂一樣，但它們不是4公里長，而是3000光年長。” “脈衝星計時陣列實際上是一個銀河尺度的引力波探測器。”
NANOGrav目前使用西弗吉尼亞州的格林班克望遠鏡和波多黎各的阿雷西博天文臺（這兩個是在必要頻率下執行的最靈敏的射電望遠鏡）監測銀河系中的54顆脈衝星。團隊成員希望聽到一種獨特的低頻聲音。
明加雷利說：“LIGO發出的是高音調的啁啾聲，而脈衝星計時陣列則發出所有這些超大質量黑洞結合在一起的低沉咆哮聲。” [黑洞碰撞的聲音（影片）]
為什麼沉默？
當兩個星系碰撞時，每個星系核心的超大質量黑洞會沉入新形成的巨星系的中心，並相互旋轉。科學家認為，隨著時間的推移，黑洞的軌道會縮小，使它們合併並形成一個更大的超大質量黑洞。
但是這個情景存在一個問題。雖然很容易想象兩個超大質量黑洞如何進入相互軌道執行，但天文學家很難模擬這些龐然大物如何穿過彼此之間的最後秒差距（約3.2光年）的空間進行合併。為了彼此靠近，黑洞必須輻射出能量，但確切的能量形式是什麼，以及隨著黑洞越來越近，能量如何變化，相對來說是未知的。
最簡單的模型預測，黑洞透過引力波輻射在整個最後的秒差距內合併。如果是這樣，超大質量黑洞將輻射出如此多的引力波，以至於現在應該已經檢測到背景“嗡嗡聲”了。但是對NANOGrav的九年資料集的新分析並未檢測到任何此類背景。
但是，該研究的共同作者，美國宇航局噴氣推進實驗室的天文學家賈斯汀·埃利斯說，這一結果並不令人驚訝。
埃利斯在接受Space.com採訪時說：“該領域的大多數人並不真正相信樂觀的模型。”
研究人員說，背景噪聲相對較弱的可能性意味著所涉及的物理過程有點混亂，也更有趣。
對於NANOGrav合作組織到目前為止未能檢測到任何明顯噪聲，有兩種可能的解釋。第一種是，合併的超大質量黑洞由於與恆星和氣體相互作用而使其軌道縮小。例如，如果黑洞將恆星從星系的中心彈射出去，則可能導致它們失去必要的能量並向中心傾斜。這將導致它們更快地合併並釋放更少的引力波輻射。
另一種可能性是，黑洞彼此螺旋靠近的速度非常慢（其時間尺度比宇宙的年齡還要長），以至於它們基本上永遠不會合並。
明加雷利說：“想到星系的中心只有這些龐大的雙星無法聚在一起，這很奇怪，但這是可能的。”
埃利斯說，在這些模型中，理論家可以調整許多旋鈕。研究人員可以透過與氣體和塵埃的相互作用，將恆星從中心彈射出去，或僅發射引力波輻射來研究超大質量黑洞合併的速度和效率。
埃利斯說：“這是一個很大的引數空間，這是第一個可以開始切除該引數空間的一些邊緣並限制旋鈕可以旋轉多遠的範圍的研究。”
這項新研究發表在《天體物理學雜誌》上。
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