六月，天文学迎来了一个新时代，表面上低频引力波被发现，这是弥漫宇宙的时空涟漪的背景嗡嗡声。这一声明来自世界各地研究人员的大规模合作。美国、欧洲、印度、澳大利亚和中国的团队都在进行各自类似的实验，并将他们的数据汇集在一起以改进结果。随着这些前所未见的引力波的证据现在牢牢掌握在手中，所有这些不同的团队现在都在狂热地收集更多数据，以实现一个更宏伟的目标：准确了解这种背景嗡嗡声的真正来源。许多专家怀疑，这种嗡嗡声主要来自成对的超大质量黑洞在逐渐合并过程中螺旋式地聚集在一起——但也可能来自更奇怪的来源，这些来源可能代表着令人兴奋的新物理学分支。“我们正处于这个领域的开端，”美国主导的合作项目NANOGrav的耶鲁大学的基娅拉·明加雷利说。
该声明于6月28日由NANOGrav和其他所谓的脉冲星计时阵列（PTA）发布，这些阵列使用射电望远镜追踪超新星爆发后留下的快速旋转的中子星——脉冲星发出的规律闪光的精确到达时间。通过使用数十颗脉冲星并在十年时间尺度上以纳秒级的精度监测脉冲的到达时间，他们可以辨别出穿过我们太阳系的背景引力波。这些波会稍微收缩或膨胀地球和目标脉冲星之间的空间，从而在脉冲的到达时间上产生明显的偏移。这个惊人的结果是在2015年开始的早期发现时代之后出现的，当时激光干涉引力波天文台（LIGO）首次探测到由恒星质量黑洞和中子星碰撞产生的引力波。LIGO、其欧洲 counterpart Virgo 和类似的设施今天继续寻找这些更高频率的引力波。
低频引力波背景嗡嗡声的证据来自多个团队多年来观测到的总共115颗脉冲星。现在，人们正在努力将所有这些脉冲星计时数据合并到一个单一的数据集中，作为国际脉冲星计时阵列（IPTA）的一部分，这将提高数据集的整体灵敏度。“我们正在一起努力，”明加雷利说。“我们有来自每个PTA的一名代表[正在工作]，开始合并数据。”这种集体努力已经持续了两年，预计更确定的结果将在2023年底或2024年的某个时候出现。“这将是有史以来最灵敏的脉冲星计时阵列数据集，”范德比尔特大学的尼汉·波尔说。
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中国对加入 IPTA 努力的矛盾态度在一定程度上使事情复杂化。“他们不属于本次数据发布的协议的一部分，”弗吉尼亚州国家射电天文台（NRAO）的斯科特·兰索姆说。“在接下来的几个月里，他们可能会说他们想与社区的其他成员友好相处，或者他们可能会继续自行其是。我们只是不知道。”中国脉冲星计时阵列团队处于令人羡慕的地位，因为它可以不受限制地使用位于中国西南地区的大型五百米口径球面射电望远镜（FAST）。FAST 比目前存在的任何射电望远镜都灵敏得多，是波多黎各阿雷西博望远镜的两倍，后者于2020年倒塌。“[FAST] 比世界上几乎所有其他[射电]望远镜都好得多，”兰索姆说。“它对脉冲星来说简直是不可思议的。”例如，尽管中国 PTA 仅使用 FAST 对脉冲星进行了三年的计时，但它仍然能够找到类似的低频引力波迹象，而 NANOGrav 花费了 15 年才发现。中国 PTA 团队的成员没有回应大众科学的置评请求。
然而，FAST 不太可能永远主导该领域。目前，用于脉冲星计时的第二好的射电望远镜是 MeerKAT，它是南非的 64 个碟形天线的集合，其自身的数据将添加到 IPTA 当前的工作中。内华达州计划的一个拥有 2,000 个碟形天线的项目 DSA-2000（深空巡天阵列）也可能同样有希望。其四分之一的时间将专门用于 NANOGrav 的脉冲星计时观测。“这将对我们的科学来说是一个巨大的福音，”NANOGrav 主席、范德比尔特大学的斯蒂芬·泰勒说。而即将到来的平方公里阵列（SKA）位于澳大利亚和南非，计划到 2028 年拥有约 200 个天线，随后还将有数千个天线，至少应该与 FAST 的能力相匹配。“SKA 将与 FAST 一样灵敏，甚至更灵敏，”兰索姆说。
尽管存在地缘政治方面的担忧，但全球的天文学家都团结一致，渴望找到这种引力波嗡嗡声的来源。通过收集和比较越来越多脉冲星的计时，他们希望开始绘制一幅更详细的天空中背景噪声图。如果死亡螺旋式超大质量黑洞对是原因，它们最终应该在这张地图上显示为“热点”。“这将是对单个来源的缓慢解析”，泰勒说。“这不一定是一个灵光一现的时刻。这是一个慢热的过程。”
然而，如果能够识别出这样的热点，天文学家就可以开始探测超大质量黑洞对的细节。“我们将能够了解双星之间的距离有多远，”西北大学的凯特琳·维特说，以及构成黑洞的质量。其他望远镜随后可能会仔细观察和研究黑洞的宇宙环境，从而可能揭示更多关于这些引力巨兽在星系生长和演化中发挥的作用。“PTA 探测到的超大质量黑洞双星将伴随有各种电磁和中微子[观测]，甚至包括这些事物的照片，”印度脉冲星计时阵列主席、孟买塔塔基础研究所的阿查姆维杜·戈帕库马尔说。“那将是令人惊叹的，那也是我们所期待的。”
波尔已经在可用的 PTA 观测中寻找了这样的热点，通过在数据中寻找各向异性的迹象——也就是说，变化和结构的迹象，而不是无形的同质性。尽管统计上尚无定论，但结果确实显示出一些热点的初步迹象，例如朝向室女座星系团的热点，室女座星系团是一个距离地球约 5000 万光年的大型星系群。“我们确实看到了一些有趣的特征，”他说。“但我们真的需要更多的数据。”到目前为止，潜在的热点似乎与天空中数据集中使用的脉冲星较少的区域相关，这意味着各向异性可能只是数据收集的一种海市蜃楼般的假象。“这些测量的不确定性可能非常大，以至于[潜在的热点被证明与]天空的其余部分一致，”波尔说。
如果在未来几年内，没有出现各向异性，那可能表明更奇怪的东西是低频引力波的来源。一种可能性是，它们是早期宇宙中“相变”的残余物，这些相变是由大爆炸后不久的宇宙快速膨胀引起的。“相变就像沸水从液体变成气体的过程，”德国电子同步加速器（DESY）的安德烈亚·米特里达特说。“在沸水锅中，你会形成这些膨胀和碰撞的气泡。类似的事情可能会发生在原始宇宙的等离子体中。”这种相变可能会产生宇宙弦，这是一种假想的一维能量细丝，当它们在宇宙中波动时，会发生扭曲、断裂和破裂，从而产生引力波。除非 PTA 开始看到指向超大质量黑洞双星的单个来源，否则宇宙弦和其他推测现象尚不能排除。“如果在未来 10 年内我们没有开始看到单个来源，那将引起很多人的关注，”明加雷利说。
其他对引力波的搜寻将补充脉冲星计时阵列。除了 LIGO 及其同类设施正在进行的努力外，欧洲航天局（ESA）预计今年将继续推进其激光干涉仪空间天线（LISA）的开发。这组由三个航天器组成的装置将相距 250 万公里，并将在 2030 年代中期相互发射激光，以寻找可能来自白矮星对的引力波，白矮星是对像太阳这样的恒星死亡后留下的残骸核心。LISA 甚至可能会看到超大质量黑洞双星最终合并时产生的信号。“我们需要确认超大质量黑洞双星实际上可以在宇宙年龄内合并，”维特说。
对于引力波天文学家来说，所有这些线索汇集在一起都令人非常欣喜。长期以来，他们一直想知道，一个世纪前由阿尔伯特·爱因斯坦首次预测的时空涟漪是否可以被探测到。随着这些挥之不去的疑虑几乎被消除，一个全新的天文学领域的边界正在显现。“现在是进入这个领域的特权时期，”泰勒说。“这是一场淘金热。”