划时代新发现！爱因斯坦相对论再被科学家验证（组图）

2017年的诺贝尔物理学奖授予了101年前的一个预测——1916年，艾尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论彻底改变了科学家们对恒星和星系尺度下的物理学理解。爱因斯坦当时预言，在某些情况下，宇宙本身的结构会抖动和摆动，这也是人类历史上首次出现“引力波”的概念。

近日，一个国际科学家团队的新发现，不仅证实引力波确实存在，验证了爱因斯坦在1916年做出的预测，还首次观测到“引力波背景”证据，为研究人员提供了研究黑洞和中子星等奇妙宇宙现象的新途径。

当地时间6月29日，发表在《天体物理学杂志快报》上的一系列新论文中，科学家报告了他们的成果。来自中国、美国、澳大利亚和欧洲的研究人员称，他们探测到了一种难以捉摸的宇宙“嗡嗡声”迹象，这些“嗡嗡声”可能由宇宙中最大的黑洞产生。

这一发现意味着天体物理学家可能已经为了解超大质量黑洞打开了一个全新窗口，将把人类带入一个全新的引力波天文学时代。《经济学人》文章称，这项新发现甚至还可能揭示一些关于宇宙最早期历史的故事。

引力波或来自一对超大质量黑洞，每个的质量是太阳的数百万倍

“引力波背景”辐射是由许多不同的引力波源叠加而成的，它们的频率和强度都不相同，但都很低，它们应该存在于我们周围，并可能会告诉我们它恒久隐藏着的重要信息。但遗憾的是，关于其存在和组成，一直只是理论化的产物，直到上述国际科技团队公布新发现。

据悉，科学家们此次探测到的引力波背景最可能的来源是陷入“死亡螺旋”的一对超大质量黑洞。这些黑洞庞大到能达到数十亿个太阳质量。由于几乎所有星系，包括银河系中心都盘踞着这样一个黑洞怪物，因此当两个星系碰撞和合并时，它们的超大质量黑洞会相遇并开始相互绕转。一旦两个黑洞足够接近，就有可能被脉冲星计时阵列观测到。

范德比尔特大学的天体物理学家、北美纳米赫兹引力波观测站（下称NANOGrav）的研究小组主席Stephen Taylor表示，“过去15年里，我们一直在执行一项任务，即找到响彻整个宇宙的引力波。我们非常高兴地宣布，我们的工作终于得到了回报。”

15年来，NANOGrav的天文学家们对银河系中数十个毫秒脉冲星的无线电波进行了密切计时，此次的新发现就来自对67颗脉冲星阵列进行详细分析的结果。NANOGrav的研究人员已经在仔细研究一个数据集，其中包括了该团队过去15年来的观测结果。

一对超大质量黑洞（左上）发射出引力波（艺术想象图）。图片来源：NANOGrav

西弗吉尼亚大学nanogravity天体物理学家Maura McLaughlin表示，“我们预计，在这个长达15年的数据集中看到的引力波证据会更加强大。”她还补充称，这项工作应该会在未来1~2年内完成，并将为这个数据集增加更多的脉冲星信息。

McLaughlin还称，除了为引力波背景信号提供更有力的证据外，该数据集甚至可能让研究人员锁定一个特定来源的位置，比如一对附近的超大质量黑洞。

《每日经济新闻》记者注意到，NANOGrav团队并不是唯一一个报告引力波背景的团队。中国、欧洲、印度和澳大利亚团队发表的多篇论文报告称，他们的数据中存在相同的引力波背景信号。通过国际脉冲星计时阵列联盟，各个小组也正在汇集他们的数据，以更好地表征信号并识别其来源。

意大利米兰比可卡大学研究人员Alberto Sesan博士表示，这些新探测到的引力波最可能的来源是一对超大质量黑洞，其中每个黑洞的质量都是太阳的数百万倍。他们最常出现在星系的中心。在数十亿年的时间里，星系的碰撞预计会频繁发生，并在宇宙中产生一种背景“嗡嗡声”。Sesan博士指出，“这证明超大质量黑洞双星确实存在于自然界中。”

《经济学人》文章中称，该引力波的来源还有另一种可能，虽然可能性要小得多，但也十分令人兴奋，即最新探测到的引力波可能是人类对宇宙早期历史的最深刻一瞥，当时宇宙的体积在短时间内迅速增加，并造成这种“嗡嗡声”。

“宇宙灯塔”脉冲星探测超低频率引力波

其实，这并不是人类首次观测到宇宙中的引力波——2015年，引力波就首次被人类直接观测到。当时天文学家们用位于美国西北部华盛顿州和东南部路易斯安那州的天文台，探测到一对黑洞碰撞产生的波，每个黑洞的质量约为太阳的30倍。这在宇宙中产生了频率约为150Hz的波，波长约为2000公里。

8年前的这一探测，标志着引力波天文学时代的正式开始。这种科学利用重力来研究宇宙，就像传统天文学利用电磁辐射一样，从可见光到无线电波和伽马射线。

图片来源：WSWS报道截图

据悉，大多数的引力波探测器都是干涉仪，它的工作原理是将一束光分成两半，然后将每一半的光送入一对垂直的长臂中。在长臂的末端，光脉冲被反射回源头，并在源头将光束重新组合起来。如果这个过程没有中断，那么返回的光束在重新组合时将相互抵消。

在天文探测界，对引力波的寻找往往需要大型的仪器。美国LIGO探测仪的臂长达4公里，欧洲仪器Virgo的臂长则为3公里。如果探测的引力波频率越低，所需要的探测仪器的臂长就要更长。例如，如果需要探测频率在1Hz左右的引力波，就需要比地球本身更大的探测器。这也就是欧洲航天局正在建造一艘名为LISA的航天器的原因，该航天器预计将于本世纪30年代末准备就绪，它将使用一个太空极光和镜面系统来制造250万公里长的臂长。

然而，最新的研究结果涉及的引力波频率是在纳赫兹范围内的波。为了探测到这些超低频率引力波，天文学家必须依靠大自然产生的光脉冲，特别是“宇宙灯塔”脉冲星。脉冲星是一种高速旋转、高度稳定、强烈辐射电磁波的星体。脉冲到达地球的规律就像节拍器一样精确，当引力波在地球和脉冲星之间通过时，无线电波计时就会立刻被扰乱。脉冲星计时阵列也就成为了当前最有希望探测到引力波背景的方法。

不过需要指出的是，虽然研究人员发现了超低频率的引力波，但这仍需要很大的耐心，因为多年来各个天文台的观测结果都是慢慢传输的。最新研究中包含的一些数据甚至是25年前收集的。

美国国家科学基金会主任Sethuraman Panchanathan表示，科学家们此次“在本质上创建了一个全银河系探测器，揭示了弥漫在宇宙中的引力波”。