天文学家发现了宇宙中的环境“噪音”

2023 年 6 月下旬，一个由国际科学家组成的团队发现了一种弥漫宇宙的低频、嗡嗡声的引力波，这让各地的天文学家兴奋不已。这种引力波是由质量在空间中移动时产生的，例如行星围绕恒星运行时。质量越大，产生的引力波就越强。

在此之前，科学家们只能探测到高频引力波，这些高频引力波是由黑洞合并等重大天文事件产生的。但北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）的科学家们利用一个涉及脉冲星的复杂测量系统，捕捉到了一种低频引力波信号，他们称之为 “宇宙交响乐”。这项历经 15 年才完成的发现，为阿尔伯特・爱因斯坦 1916 年的广义相对论增添了更多证据。

引力波在七年前就已被证实存在，那么这条新闻究竟证实了什么呢？

这条新闻表明：我们终于探测到了来自遥远的致密天体（如黑洞和中子星）的引力波，这些天体相互环绕或只是在空间中振荡。这些引力波构成了太空中所有的背景噪声，不仅仅是像黑洞合并这样能在数十亿光年外被探测到的重大事件所产生的引力波，还包括来自更多致密天体的噪声。任何有质量且正在旋转或环绕的物体都会产生引力波，虽然我们可能只探测到了距离我们几十亿光年以内的最近的那些引力波，但也有来自早期宇宙的残留噪声。

所以在此之前，我们只能探测到与一个特定事件相关的一个引力波，而现在更像是来自所有已发生事件的所有引力波？

是的，没错。20 亿或 50 亿年前有一次黑洞合并，现在我们正在接收到那次合并产生的微小引力波，而在宇宙的另一边几乎同时发生了另一次黑洞合并，我们也正在接收到那次合并产生的引力波，而且这些事情一直在发生。我们从各个方向接收到引力波。天文学家通过观察脉冲星以及脉冲星的辐射如何在宇宙中传播来探测到它们。

爱因斯坦是如何在科学家能够测量引力波的 100 多年前就预测到引力波的存在呢？

当他提出广义相对论时，他本质上是说质量会使时空弯曲，质量越大，时空弯曲就越厉害。第一次验证广义相对论的事件是 1919 年的一次日食。亚瑟・爱丁顿爵士前往印度观察日食期间太阳附近的恒星，当他们拍摄太阳周围恒星的图像时，他们发现这些恒星并不在仅在夜空中观察时所看到的位置。这是因为太阳会产生一种叫做引力透镜的现象，这基本上意味着光在穿过空间时会选择最短的路径。如果空间是弯曲的，光就必须走更长的路径。由于任何有质量的物体附近的空间都是弯曲的，很多这些遥远的物体都会发出引力波。

NANOGrav 发布了用于生成其数据的软件。这对科学界以及丹佛大都会州立大学的学生来说意味着什么呢？

科学的另一个关键是可重复性，所以如果丹佛大都会州立大学物理系的某人决定开始研究这个，我们可以验证这些说法，学生也可以成为那个团队的一员。如果原始研究小组在过程中忽略了一个错误，那么其他人可能能够发现它。

既然我们能够测量更多的引力波，我们可以获得哪些类型的信息呢？例如，关于大爆炸的信息？

例如，我们可以获得关于早期宇宙的信息，这是我们了解不多的领域。詹姆斯・韦伯太空望远镜很好地向我们展示了早期宇宙比我们想象的要致密得多。如果物体更致密，那么到处都会有更多的引力。而引力的一个作用就是使时间变慢。这意味着天文学家需要调整我们的测量。我们还可以获得关于早期宇宙中形成的黑洞数量的信息。如果有很多黑洞，这对天文学家来说是很有趣的。

引力波对我们地球上的人有什么影响呢？

嗯，它们对我们的影响不大，但每当引力波穿过时空时，它们确实会使地球稍微晃动一下。这意味着整个时空中的距离和时间会变长或变短 —— 它们会有微小的拉伸和压缩。这就是像激光干涉引力波天文台（LIGO）这样的仪器能够探测到这些引力波的精度。

显然，这不是人们用肉眼能感知到的东西。所以关键问题是：我们为什么要关心呢？

这是关于宇宙如何运作的问题，对吧？我们在天文学中研究的大多数东西实际上对我们的生活并没有太大影响。尽管如此，这是关于自然以及自然如何运作的问题，而这正是我们感兴趣的。而且你永远不知道物理学发现的结果会是什么。我们可能在未来的某个时候能够使用这项技术。