為了繪製宇宙振動圖，天文學家建造了一個令人驚嘆的星系大小的探測器

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使用迄今為止最大的重力波探測器，我們證實了早期的報告，即宇宙結構正在不斷振動。這種背景隆隆聲很可能是由星系中心的巨大黑洞之間的碰撞引起的。

我們的探測器——遍布整個星系的一系列快速旋轉的中子星——的結果顯示了這種“重力波背景”。我們還製作了迄今為止最詳細的天空重力波地圖，並在南半球發現了一個有趣的活動「熱點」。

我們的研究是發表今天在三篇論文在英國皇家天文學會每月通知。

空間和時間的漣漪

重力波是空間和時間結構中的漣漪。它們是在極其密集和巨大的物體繞軌道運行或相互碰撞時產生的。

宇宙中密度最大、質量最大的物體是，死亡恆星的殘餘物。研究黑洞的唯一方法之一是尋找它們彼此靠近時發出的重力波。

就像光一樣，重力波也是以光譜形式發射的。最大質量的黑洞會發出最慢、最強大的波浪——但為了研究它們，我們需要一個與銀河系大小相同的探測器。

相對較小的黑洞之間碰撞產生的高頻重力波可以用地球探測器探測到，並在 2015 年首次被觀測到。證據因為直到去年才發現更慢、更強大的波浪的存在。

世界各地的幾個天文學家小組透過密切觀察特定類型恆星群的行為，組裝了銀河尺度的重力波探測器。我們的實驗，MeerKAT Pulsar 定時陣列，是這些銀河尺度探測器中最大的。

今天，我們宣布了低頻重力波的進一步證據，但與先前的結果有一些有趣的差異。在其他實驗的三分之一時間內，我們發現了一個訊號，暗示宇宙比預期的更活躍。

我們也能夠繪製出留下的宇宙結構圖比以往任何時候都更準確。

黑洞、星系和脈衝星

科學家認為，大多數星系的中心存在著一個巨大的物體，稱為超大質量黑洞。儘管它們的質量巨大——是太陽質量的數十億倍——但這些宇宙巨星卻很難研究。

天文學家幾十年來就知道超大質量黑洞，但只直接觀測到一個2019年首次。

當兩個星系合併時，它們中心的黑洞開始螺旋向彼此靠近。在這個過程中，它們發出緩慢而強大的引力波，使我們有機會研究它們。

我們使用另一組奇異的宇宙物體來做到這一點：脈衝星。這些恆星密度極高，主要由中子組成，其大小可能與城市相當，但重量是太陽的兩倍。

每秒旋轉數百次。當它們旋轉時，它們就像燈塔一樣，用數千光年外的輻射脈衝撞擊地球。對於某些脈衝星，我們可以在納秒內預測脈衝何時擊中我們。

我們的重力波探測器利用了這個事實。如果我們在同一時間段內觀察到許多脈衝星，而我們對脈衝何時以特定方式撞擊我們的判斷是錯誤的，那麼我們就知道重力波正在拉伸或擠壓地球和脈衝星之間的空間。

然而，我們看到的不僅僅是一個波浪，而是充滿了在各個方向縱橫交錯的波浪的宇宙海洋——宇宙歷史上所有星系合併產生的迴響漣漪。我們稱之為重力波背景。

令人驚訝的響亮信號——以及有趣的“熱點”

為了探測重力波背景，我們使用了MeerKAT電波望遠鏡在南非。 MeerKAT 是世界上最靈敏的電波望遠鏡之一。

作為 MeerKAT 脈衝星計時陣列的一部分，它已經對一組 83 顆脈衝星進行了大約五年的觀測，精確測量它們的脈衝到達地球的時間。這使我們找到了與重力波背景相關的模式，只是它與其他實驗發現的有點不同。

該圖案代表了地球和脈衝星之間的空間和時間如何被它們之間通過的引力波所改變，其強度比預期的更強大。

這可能意味著相互繞轉的超大質量黑洞比我們想像的要多。如果是這樣，就會引發更多問題——因為我們現有的理論表明應該更少比我們看到的要多。

我們探測器的尺寸以及 MeerKAT 望遠鏡的靈敏度意味著我們可以極其精確地評估背景。這使我們能夠創建迄今為止最詳細的引力波背景圖。以這種方式繪製背景對於理解我們宇宙的宇宙結構至關重要。

它甚至可能引導我們找到所觀測到的重力波訊號的最終來源。雖然我們認為背景很可能是這些巨大黑洞的相互作用產生的，但它也可能源自於大爆炸後早期充滿活力的宇宙的變化，甚至可能是更奇異的事件。

我們創建的地圖顯示了一個有趣的“熱點”在南半球的天空。這種不規則性支持了背景是由超大質量黑洞而不是其他替代物產生的想法。

然而，製造一個銀河大小的探測器非常複雜，現在判斷這是真實的還是統計異常還為時過早。

為了證實我們的發現，我們正在努力將我們的新數據與其他國際合作的結果結合起來國際脈衝星計時陣列。