經過近二十年的監聽，天文學家終於開始“聽到”他們認為來自宇宙巨獸的引力波的隆隆聲：超大質量黑洞。
這一結果來自美國國家科學基金會贊助的一項名為“北美奈米赫茲引力波天文臺 (NANOGrav)”的計劃。自 2004 年以來，NANOGrav 一直在監測來自銀河系範圍內由被稱為脈衝星的死亡恆星網路發出的節拍器般的閃光。這些由爆炸的大質量恆星的核心鍛造而成的城市大小的球體，重量相當於整個太陽，並且每秒可以旋轉數千次。這使得它們成為非常精確的計時器——也是預測從合併的超大質量黑洞中出現的特別大的時空漣漪的理想哨兵。
這種引力波與先前報道的來自雷射干涉引力波天文臺 (LIGO) 和其他地球探測器的引力波不同。首先，透過脈衝星發現的波並非都可追溯到單個合併事件：它們將形成所謂的引力波背景，即宇宙中累積合併產生的時空環境噪聲。另一個重要的區別是，在它們的波峰到波谷跨度中，這些波中的每一個都應該大約有我們太陽系的大小——這與直覺相反，使得它們更難被探測到。當這些巨大的時空波動洗刷過脈衝星散佈的空間時，它們可能會透過對死亡恆星自轉的微小偏移來暴露其存在，從而使觀測者能夠透過細緻的測量來瞥見它們。在今天釋出的一系列五篇論文中，這基本上就是 NANOGrav 聲稱已經完成的事情。
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威斯康星大學密爾沃基分校的天體物理學家、NANOGrav 成員莎拉·維格蘭德說：“這令人難以置信地興奮，因為我們認為我們正在開始開啟通往引力波宇宙的新視窗。”
（迄今為止，該合作專案的工作尚未完全達到物理學家評估發現的穩健性的統計金標準。因此，目前，從事該專案的科學家們謙虛地聲稱“引力波背景的證據”，而不是全面的探測。但他們相信，隨著更多的觀測，這一里程碑將會到來。）
NANOGrav 只是全球正在進行的幾個不同的脈衝星定時陣列專案之一。所有這些努力都遵循相同的基本藍圖：它們使用射電望遠鏡長期監測數十顆超級可預測的脈衝星，以捕捉其有節奏的旋轉中的微小變化。
康奈爾大學的天體物理學家、NANOGrav 成員感謝克羅馬蒂說：“我們可以建立這些模型，基本上讓我們知道到達時間，其精度可以與原子鐘相媲美。” “所以我們知道什麼時候有事情發生，有什麼在起作用，導致脈衝星的滴答聲稍微不同步”——比如引力波拉伸和收縮地球和每顆脈衝星之間的空間。
這構成了一個非常優雅的自然實驗。“你不需要建造這個價值數十億美元的探測器；你只需要組裝一個射電望遠鏡並觀察宇宙，”西北大學的天體物理學家、NANOGrav 成員凱特琳·維特說。
雖然脈衝星定時陣列不需要極其專業的探測器，但它們確實需要耐心。在 2020 年 NANOGrav 先前的論文的基礎上，這些論文報告了一個更接近臨界值的訊號，該訊號與對引力波背景的預期一致，最新的結果包括來自北美合作組織的 15 年的資料。NANOGrav 現在正在監測 68 顆不同的脈衝星，這些脈衝星構成了一個大約我們星系大小的自然引力波探測器。（該專案分析中的“新”資料執行到 2020 年 8 月，當時波多黎各阿雷西博天文臺的標誌性射電望遠鏡開始滑向坍塌並停止觀測。此後，加拿大氫強度測繪實驗加入了 NANOGrav，以增強其能力。）
但儘管資料量很大，並且今天釋出了充滿希望的公告，但科學家們才剛剛開始探測到引力波背景，並且仍然有比答案更多的問題。
例如，雖然普遍認為超大質量黑洞對是造成大部分引力波背景的特定天體物理來源，但對此的結論性證據仍然難以捉摸。
西弗吉尼亞大學的天體物理學家、NANOGrav 成員莫拉·麥克勞克林說：“你可以將每個單獨的超大質量黑洞雙星視為一件樂器，而引力波背景是所有這些樂器加在一起的交響曲。” 但可能也存在其他“樂器”，它們可能對巨型引力波的宇宙噪音做出同樣多，甚至更多的貢獻。
透過分析交響曲的“聲音”，科學家們希望確定有多少這樣的樂器在演奏，甚至開始瞭解這些超大質量黑洞雙星的樣子。並且由於科學家們認為這些雙星是超大質量黑洞宿主星系碰撞的後果而出現的，因此 NANOGrav 的工作應該有助於揭示包括銀河系在內的大型星系的層次結構組裝。
但是，其他更奇怪的現象，例如宇宙弦或來自大爆炸後的大規模膨脹量子漲落，也可能對引力波背景做出貢獻。科學家們還沒有足夠的資料來區分差異，也不知道有多少訊號來自哪種型別的來源。
NANOGrav 報告的引力波背景訊號的一個特別令人困惑的方面是，它出乎意料地強——大約是預測強度的兩倍。如果更深奧的解釋沒有奏效，並且訊號純粹來自超大質量黑洞雙星，那麼其意外的強度可能意味著這些巨獸本身比科學家們推測的更大或更多。
普林斯頓大學的天體物理學家珍妮·格林說，這樣的發現可能會激發新的努力，以在更傳統的望遠鏡資料中找到超大質量黑洞合併的證據，她沒有參與這項新研究。“這有點令人尷尬：我們預計[超大質量]黑洞應該正在合併，但我們真的無法找到觀測證據，”她說。“如果存在如此多的雙星，我們真的應該能夠找到它們，所以我認為這將刺激這方面的新努力。”
為了理清訊號的來源，科學家們將需要花費更多的時間觀察更多的脈衝星。“這有點像你挖出恐龍骨骼，然後你開始撣掉灰塵。起初你會想，‘哦，這看起來很酷。’然後你去除的灰塵越多，你就越能開始看到骨骼，”耶魯大學的天體物理學家、NANOGrav 成員基亞拉·明加雷利說。“現在我們絕對知道我們找到了恐龍骨骼，但也許我們還不知道它是什麼種類的恐龍。”
儘管存在這種不確定性，但科學家們確信訊號是真實的，並且來自引力波，因為只有在最新一批 NANOGrav 資料中才出現了一種獨特的指紋。1983 年，研究人員計算出，當透過不同的脈衝星對觀察時，引力波背景訊號會略有但可預測地變化，這取決於每顆脈衝星在天空中的位置，以及另一顆脈衝星出現的位置。NANOGrav 科學家表示，他們現在在資料中看到了這種相關性。“這是真正令人興奮的新部分，它開始讓你相信他們真的在探測合併的黑洞，”格林說。
隨著 NANOGrav 和其他脈衝星定時陣列繼續他們的工作，科學家們不僅希望瞭解是什麼類別的物體正在產生引力波背景，而且還希望開始看到來自背景噪聲中出現的不同對超大質量黑洞的訊號。
喬治梅森大學的天體物理學家肖比塔·薩蒂亞帕爾說：“真正的考驗將是對單個事件的探測”，她沒有參與這項新研究，並稱其令人興奮。
NANOGrav 科學家也很高興繼續與澳大利亞、歐洲和印度的類似脈衝星定時陣列實驗的合作者合作，將所有這些小組的觀測結果合併到一個更強大的探測器中，該專案被稱為國際脈衝星定時陣列。“我懷疑當它們合併時，這些發現會更加可靠——至少，這是希望，”耶魯大學的天體物理學家、NANOGrav 成員普里亞姆瓦達·納塔拉詹說。
其他更新的探測器也在加入搜尋行列。它們包括中國的強大的五百米口徑球面射電望遠鏡（FAST），該望遠鏡於 2016 年開始觀測。“對於探測[單個超大質量黑洞雙星系統]來說，真正重要的是擁有一臺非常強大的望遠鏡，它可以對我們最好的脈衝星進行非常精確的定時，”明加雷利說。“目前，中國的 FAST 望遠鏡在這方面確實處於領先地位。”
隨著脈衝星定時工作的繼續，未來的天文臺也可能做出貢獻。澳大利亞和南非的平方公里陣列預計將於 2027 年開始執行。北美科學家希望擁有自己的新天文臺：天文學家提議在內華達州建造一個名為深空巡天陣列–2000 的專案。無論來源是什麼，最重要的任務將是收集更多更好、關於更多脈衝星的資料，這將有助於確定在宇宙中無形地盪漾的引力波。
麥克勞克林說：“未來幾十年還有很多工作要做。” “真的，這絕不是故事的結局——這僅僅是開始。”