显示两个超大质量黑洞合并时释放的引力波的插图。 (NASA/C. Henze)
宇宙应该嗡嗡作响。
每一次超新星、每一次中子星之间的合并或，即使是快速旋转的孤独中子星，也可能或应该是。
即使空间快速膨胀138亿年前应该已经产生了自己的级联引力波。
就像扔进池塘里的一块石头一样，这些巨大的事件应该会在时空的结构中激起涟漪——空间的微弱膨胀和收缩，我们可以通过精确定时信号的差异来检测到。
总的来说，这些信号组合在一起形成随机或“随机”的嗡嗡声，称为它可能是引力波天文学中最受追捧的探测之一。
太空探索的新领域
人们认为——正如发现之前所做的（并将继续做）——发现引力波背景将使我们对宇宙及其演化的理解更加开放。
澳大利亚国立大学和 ARC 中心的理论物理学家苏珊·斯科特解释说：“检测引力辐射的随机背景可以提供有关早期宇宙中天体物理源群体和过程的大量信息，这是任何其他方法都无法获得的。”引力波发现卓越奖。
“例如，电磁辐射不能提供早于最后一次散射时间（大爆炸后约 40 万年）的宇宙图片。然而，引力波可以为我们提供一直追溯到暴胀开始的信息。 ，只是〜10-32大爆炸后几秒钟。”
为了理解引力波背景的重要性，我们应该稍微谈谈大爆炸的另一个遗迹：宇宙微波背景（CMB）。
在我们的宇宙开始滴答作响、空间开始冷却之后不久，所有冒泡的泡沫都凝结成电离等离子体形式的亚原子粒子的不透明汤。
随之而来的任何辐射都会被散射，从而阻止它传播很远的距离。直到这些亚原子粒子重新组合成原子，这个时代被称为重组纪元，光才可以在宇宙中自由移动并历经亿万年。
宇宙大爆炸后约 38 万年，第一道闪光在太空中爆发，随着宇宙在接下来的数十亿年里不断膨胀，这道闪光被拖入每一个角落。今天它仍然在我们周围。这种辐射极其微弱，但可以检测到，特别是在微波波长下。这就是宇宙微波背景（CMB），宇宙中的第一道光。
这种光的不规则性，称为各向异性，是由第一束光所代表的微小温度波动引起的。很难夸大它的发现有多么惊人：宇宙微波背景是我们对早期宇宙状态仅有的探测器之一。
引力波背景的发现将是这一成就的辉煌复制。
斯科特说：“我们期望对引力波背景的探测和分析将彻底改变我们对宇宙的理解，就像对宇宙微波背景及其各向异性的观测所开创的一样。”
繁荣与崩溃之外的喧嚣
这引力波的产生是在不久前，也就是 2015 年。
大约 14 亿年前，两个黑洞相撞，产生了以光速传播的涟漪；在地球上，这些时空的膨胀和收缩非常微弱地引发了乐器经过数十年的设计和完善，等待检测这样的事件。
由于多种原因，这是一次具有里程碑意义的发现。它第一次让我们直接证实了黑洞的存在。
证实了此前的预测100 年前引力波是真实存在的。
这意味着科学家多年来一直致力于研究的引力波干涉仪这一工具将彻底改变我们对黑洞的理解。
确实如此。 LIGO 和 Virgo 干涉仪检测到迄今为止的引力波事件：那些强度足以在数据中产生明显信号的引力波事件。
这些干涉仪使用激光照射几公里长的特殊隧道。这些激光器受到引力波产生的时空拉伸和挤压的影响，产生干涉图案，科学家可以从中推断出产生信号的致密物体的特性。
但引力波背景却是另一回事。
斯科特说：“天体物理背景是由许多微弱、独立且未解决的天体物理源的混乱噪音产生的。”
“我们的地面引力波探测器 LIGO 和 Virgo 已经探测到了来自一对黑洞的数十次单独合并的引力波，但是来自恒星质量双星的天体物理背景合并预计将成为当前这一代探测器 GWB 的主要来源。我们知道，存在大量此类合并，无法单独解决，它们一起在探测器中产生随机噪声的嗡嗡声。”
双黑洞在宇宙中碰撞的速率尚不清楚，但我们检测到它们的速率为我们提供了一个可以进行估计的基线。
科学家认为，这种合并介于每分钟一次和每小时几次之间，每次可检测到的信号只持续不到一秒。这些单独的随机信号可能太微弱而无法检测到，但组合起来会产生静态背景噪声；天体物理学家将其与爆米花爆裂的声音。
这将是我们可以利用 LIGO 和 Virgo 干涉仪等仪器找到的随机引力波信号的来源。这些仪器目前正在进行维护和准备，并将由第三个观测站加入，日本卡格拉，在 2023 年 3 月的一次新观测中。此次合作对爆米花 GWB 的检测是并非不可能。
不过，这些并不是引力波套件中唯一的工具。其他工具将能够探测引力波背景的其他来源。距离我们还需要 15 年的时间，这样的一个工具就是激光干涉仪空间天线 (LISA)，定于 2037 年推出。
它基于与 LIGO 和 Virgo 相同的技术，但其“手臂”长达 250 万公里。它将在比 LIGO 和 Virgo 低得多的频率下运行，因此将探测到不同类型的引力波事件。
“GWB 并不总是像爆米花一样，”斯科特告诉 ScienceAlert。
“它还可以由单独的确定性信号组成，这些信号在时间上重叠，产生混乱噪音，类似于聚会上的背景对话。混乱噪音的一个例子是银河系致密白矮星双星群产生的引力辐射。这将是在这种情况下，随机信号非常强，以至于它成为了前景，在尝试检测相同频率的其他微弱引力波信号时充当了额外的噪声源。 乐队。”
理论上，LISA 还可以探测引力波背景的宇宙学来源，例如大爆炸后的宇宙膨胀或宇宙弦 -宇宙中的理论裂缝它可能是在暴胀结束时形成的，通过引力波失去能量。
计时宇宙的脉搏
还有一个巨大的银河尺度引力波观测站，科学家们一直在研究它，以寻找引力波背景的线索：时序数组。是一种类型曾经巨大的恒星在壮观的超新星爆发中死亡，只留下一个致密的核心。
脉冲星的旋转方式使得来自其两极的无线电发射束扫过地球，就像宇宙灯塔一样；其中一些以极其精确的间隔执行此操作，这对于导航等一系列应用很有用。
但从理论上讲，时空的拉伸和挤压应该会在脉冲星闪光的时间上产生微小的不规则性。
一颗脉冲星在时间上表现出轻微的不一致可能意义不大，但如果一堆脉冲星表现出相关的时间不一致，这可能表明吸入的超大质量黑洞产生了引力波。
科学家发现脉冲星计时阵列中引力波背景的来源，但我们还没有足够的数据来确定情况是否如此。
我们正如此诱人地接近引力波背景的探测：天体物理背景，揭示了整个宇宙中黑洞的行为；以及宇宙学背景——宇宙微波背景中看到的量子涨落、暴胀、大爆炸本身。
斯科特说，这就是白鲸：只有在将背景分解成构成嘈杂整体的离散源的艰苦工作之后，我们才会看到它。
“虽然我们期待从天体物理学产生的背景探测中获得大量信息，但对大爆炸引力波的观测确实是引力波天文学的最终目标，”她说。
“通过消除这个双黑洞前景，拟议的第三代地面探测器，例如爱因斯坦望远镜和宇宙探测器，可以通过 5 年的观测对宇宙学产生的背景敏感，从而进入重要宇宙学观测可以进行的领域。被制作。”