超大质量黑洞合并的声音并没有充满整个宇宙。
在过去的十年里，北美纳米赫兹引力波天文台（NANOGrav）合作组织的科学家们一直在聆听低频引力波的持续“嗡嗡声”。
理论工作表明，这种由涉及超大质量黑洞（其质量是太阳的数百万或数十亿倍）的碰撞产生的嗡嗡声，应该可以在地球上被探测到。一项新的研究表明，NANOGrav 尚未听到这种嗡嗡声，但这种未探测到的情况本身就是一个有趣的结果，揭示了星系可能如何演化和合并的新细节。 [ 引力波搜寻图片]
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银河引力波探测器
引力波——扭曲时空结构本身的宇宙涟漪——最早由阿尔伯特·爱因斯坦在他的1916年广义相对论中预测。
这些涟漪的首次直接探测是今年早些时候宣布的，由激光干涉引力波天文台（LIGO）项目的研究人员进行。LIGO发现的波来自两个质量分别为太阳的29倍和36倍的黑洞之间的宇宙碰撞辐射。
耗资10亿美元的LIGO实验在两个2.5英里长（4公里）的臂末端之间来回反射激光束。如果引力波穿过探测器，其中一个臂的长度将与其他臂相比发生非常轻微的变化，从而影响激光到达的时间，偏差仅为一秒的一小部分。
NANOGrav的工作原理大致相同，但它使用脉冲星（每秒高速旋转数百次的死亡恒星）而不是地球上的激光束。而且，它搜索的是超大质量黑洞。
脉冲星从其磁南北极发射辐射束。如果脉冲星恰好与地球对齐，天文学家将看到其辐射闪烁，就像观察者可以看到灯塔的光束一样。这些闪烁可能包含引力波的证据。
加州理工学院帕萨迪纳分校的天文学家基亚拉·明加雷利在接受Space.com采访时说：“当引力波穿过银河系时，它会拉伸和挤压时空，使脉冲星和地球晃动。” “我们可以通过观察脉冲到达时间的改变来测量这种晃动。”
明加雷利补充说：“两颗脉冲星“就像LIGO上的干涉仪臂一样，但它们不是4公里长，而是3000光年长。” “脉冲星计时阵列实际上是一个银河尺度的引力波探测器。”
NANOGrav目前使用西弗吉尼亚州的格林班克望远镜和波多黎各的阿雷西博天文台（这两个是在必要频率下运行的最灵敏的射电望远镜）监测银河系中的54颗脉冲星。团队成员希望听到一种独特的低频声音。
明加雷利说：“LIGO发出的是高音调的啁啾声，而脉冲星计时阵列则发出所有这些超大质量黑洞结合在一起的低沉咆哮声。” [黑洞碰撞的声音（视频）]
为什么沉默？
当两个星系碰撞时，每个星系核心的超大质量黑洞会沉入新形成的巨星系的中心，并相互旋转。科学家认为，随着时间的推移，黑洞的轨道会缩小，使它们合并并形成一个更大的超大质量黑洞。
但是这个情景存在一个问题。虽然很容易想象两个超大质量黑洞如何进入相互轨道运行，但天文学家很难模拟这些庞然大物如何穿过彼此之间的最后秒差距（约3.2光年）的空间进行合并。为了彼此靠近，黑洞必须辐射出能量，但确切的能量形式是什么，以及随着黑洞越来越近，能量如何变化，相对来说是未知的。
最简单的模型预测，黑洞通过引力波辐射在整个最后的秒差距内合并。如果是这样，超大质量黑洞将辐射出如此多的引力波，以至于现在应该已经检测到背景“嗡嗡声”了。但是对NANOGrav的九年数据集的新分析并未检测到任何此类背景。
但是，该研究的共同作者，美国宇航局喷气推进实验室的天文学家贾斯汀·埃利斯说，这一结果并不令人惊讶。
埃利斯在接受Space.com采访时说：“该领域的大多数人并不真正相信乐观的模型。”
研究人员说，背景噪声相对较弱的可能性意味着所涉及的物理过程有点混乱，也更有趣。
对于NANOGrav合作组织到目前为止未能检测到任何明显噪声，有两种可能的解释。第一种是，合并的超大质量黑洞由于与恒星和气体相互作用而使其轨道缩小。例如，如果黑洞将恒星从星系的中心弹射出去，则可能导致它们失去必要的能量并向中心倾斜。这将导致它们更快地合并并释放更少的引力波辐射。
另一种可能性是，黑洞彼此螺旋靠近的速度非常慢（其时间尺度比宇宙的年龄还要长），以至于它们基本上永远不会合并。
明加雷利说：“想到星系的中心只有这些庞大的双星无法聚在一起，这很奇怪，但这是可能的。”
埃利斯说，在这些模型中，理论家可以调整许多旋钮。研究人员可以通过与气体和尘埃的相互作用，将恒星从中心弹射出去，或仅发射引力波辐射来研究超大质量黑洞合并的速度和效率。
埃利斯说：“这是一个很大的参数空间，这是第一个可以开始切除该参数空间的一些边缘并限制旋钮可以旋转多远的范围的研究。”
这项新研究发表在《天体物理学杂志》上。
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