新的研究進一步縮小了尋找難以捉摸的巨型黑洞對的范圍
超大質量黑洞雙星插圖。鳴謝:美國宇航局戈達德太空飛行中心/斯科特·諾布爾
（神秘的研究地球uux.cn）據西北大學（阿曼達·莫里斯）：雖然天體物理學家從未感應到超大質量黑洞雙星系統，但一個由死亡恒星組成的進步巨型星系大小的探測器正在追蹤它們。
在一項由西北大學領導的難捉新研究中，天體物理學家處理了45顆死亡恒星(稱為脈沖星)12.5年的黑洞數據，為成對巨型黑洞發出的范圍引力波信號設定了最佳限制。了解這些極限將有助于天體物理學家限制附近宇宙中存在的新的尋找雙星數量，確認或否認現有的研究雙星候選，并在某一天從這些復雜的進步巨型雙星對中檢測引力波。
在另一項突破中，難捉該研究還發現，黑洞在搜索超大質量黑洞對時，范圍研究人員需要考慮宇宙中所有超大質量黑洞雙星的新的尋找引力波交響樂所產生的穩定的背景噪音。
這項名為“NANOGrav 12.5年數據集:單個超大質量黑洞雙星引力波的研究貝葉斯極限”的研究被《天體物理學雜志快報》接受，并將于今年夏天發表。進步巨型它目前發表在arXiv預印本服務器上。
“我們真誠地認為，通過引力波探測超大質量黑洞雙星指日可待，”西北大學的凱特琳·威特說，他領導了這項研究。
“對于許多科學領域來說，這將是一個重要的發現。這將使我們能夠進行進一步的實驗，如測試引力，以探索超大質量黑洞雙星是否按照我們認為的方式進化，并且它將教會我們如何在未來的調查中尋找它們。我們還將能夠回顧宇宙時間，追溯我們生活的宇宙的歷史。”
威特是西北大學天體物理學跨學科探索和研究中心(CIERA)和阿德勒天文館的CIERA-Adler博士后研究員。
大到無法探測
超大質量黑洞位于大多數星系的中心，質量可能是我們太陽的幾十億倍。典型的恒星質量黑洞比我們的太陽大10到100倍，相比之下，超大質量黑洞大得不可思議。
當兩個星系——每個都有一個中心超大質量黑洞——合并在一起，它可以創建一個由這些可怕的黑洞組成的雙星系統。
“有一天，我們的星系將與仙女座星系相撞，”威特說。“數百萬年后，黑洞最終會找到彼此，形成一個小伙伴系統。從這樣的系統中探測引力波將有助于我們理解星系如何相互作用以及宇宙如何演化。”
2016年，由西北大學教授Vicky Kalogera共同領導的國際團隊使用激光干涉儀引力波天文臺(LIGO)首次探測到兩個恒星質量黑洞合并產生的引力波，這導致了時空中明顯的短暫波動。但是超大質量黑洞雙星對于像LIGO這樣的地面設備來說太大太遠了。
這些怪物對產生的波如此之長，以至于它們的引力波可能需要幾年甚至幾十年才能完全沖刷地球。即使美國宇航局和歐洲航天局在21世紀30年代初發射LISA(一種基于空間的引力波探測器，西北大學教授Shane Larson是該探測器的聯合首席研究員)，它仍然無法探測到如此巨大的波。
“LIGO只能探測適合它手臂的波長，”威特說。“我們必須尋找低得多的波動頻率。我們對超大質量黑洞對很敏感，它們可能需要一個月甚至15年的時間才能環繞彼此運行。因此，我們正在尋找一個可以融入背景的穩定信號。”
脈沖星像時鐘一樣滴答作響
為了克服這一障礙，研究人員的國際合作建立了北美納赫茲引力波天文臺(NANOGrav)，該天文臺利用脈沖星搜尋引力波，脈沖星是一種快速旋轉的中子星，產生于大質量恒星在其生命末期的超新星爆炸中。就像燈塔一樣，脈沖星在旋轉時會發出一束閃光。
“因為脈沖星自轉如此穩定，我們看到像時鐘一樣滴答作響的小閃光，”威特說。“我們用地面射電望遠鏡觀察那道光。如果時鐘的滴答聲來得稍微早了一點或晚了一點，這就是一個跡象，表明它可能受到了引力波的影響。”
NANOGrav追蹤了遍布夜空的75顆脈沖星，其中45顆用于這項研究。它們的光束只需幾毫秒就能閃過地球。因此，在這種情況下，“稍微早一點或稍微晚一點”可能意味著幾分之一納秒。因此，NANOGrav的技術必須非常敏感，才能捕捉到這些幾乎察覺不到的變化。
通過觀察整個天空，Witt和NANOGrav團隊一起尋找所有脈沖星的特定模式。根據理論，超大質量黑洞雙星應該發射引力波，這些引力波在到達地球的途中會拉伸和擠壓(或扭曲)時空。扭曲的時空會影響脈沖星的光束，從而顯示出一對難以捉摸的巨型黑洞。
紅色噪音可以欺騙我們
但是，當然，脈沖星也會產生自己的噪聲，這會使信號變得模糊不清。
“脈沖星確實有一些被稱為‘紅色噪聲’的固有噪聲，”威特說。“它們的內部可能會慢慢有點搖晃，除非你像我們一樣近距離觀察，否則你是看不到的。那個紅色噪音看起來類似于我們正在尋找的廣義引力波噪音。我們必須把這兩者分開。”
去年，NANOGrav團隊發表了一項研究，發現所有脈沖星都有一個紅色噪聲過程，具有相同的共同特征。然而，在沒有更多證據的情況下，NANOGrav無法將此歸因于引力波。在新的研究中，Witt和她的團隊發現，為了明確地探測到來自單個超大質量黑洞雙星的引力波，仍然必須仔細考慮這種紅色噪聲。
“當引力波變得可探測時，乍一看它非常類似于紅色噪音，”威特說。“紅色噪音可以欺騙我們。我們的新研究告訴我們，我們必須仔細觀察，以避免混淆。當我們最終探測到引力波時，這將是非常重要的。”
雖然NANOGrav還沒有探測到帶有引力波的超大質量黑洞雙星，但Witt的新論文使該領域比以往任何時候都更近。通過利用12.5年的數據集，研究人員創建了新的模型來精確地解釋脈沖星數據中的不確定性，并實施新的技術來解釋紅色噪聲。
確認候選人
這些新模型為超大質量黑洞對發出的引力波的強度提供了迄今為止最嚴格的限制。此前，其他研究人員用基于光的望遠鏡發現了潛在的超大質量黑洞雙星。NANOGrav最終可以確認這些潛在的候選者確實是超大質量黑洞雙星。
“用我們的新方法，我們可能能夠更快地證實這一點，”威特說。“或者，如果我們繼續收集和分析數據，那么我們也許能夠排除它作為候選人。這可能只是銀河系中發生的一些奇怪的事情。”
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