经过近二十年的监听，天文学家终于开始“听到”他们认为来自宇宙巨兽的引力波的隆隆声：超大质量黑洞。
这一结果来自美国国家科学基金会赞助的一项名为“北美纳米赫兹引力波天文台 (NANOGrav)”的计划。自 2004 年以来，NANOGrav 一直在监测来自银河系范围内由被称为脉冲星的死亡恒星网络发出的节拍器般的闪光。这些由爆炸的大质量恒星的核心锻造而成的城市大小的球体，重量相当于整个太阳，并且每秒可以旋转数千次。这使得它们成为非常精确的计时器——也是预测从合并的超大质量黑洞中出现的特别大的时空涟漪的理想哨兵。
这种引力波与先前报道的来自激光干涉引力波天文台 (LIGO) 和其他地球探测器的引力波不同。首先，通过脉冲星发现的波并非都可追溯到单个合并事件：它们将形成所谓的引力波背景，即宇宙中累积合并产生的时空环境噪声。另一个重要的区别是，在它们的波峰到波谷跨度中，这些波中的每一个都应该大约有我们太阳系的大小——这与直觉相反，使得它们更难被探测到。当这些巨大的时空波动洗刷过脉冲星散布的空间时，它们可能会通过对死亡恒星自转的微小偏移来暴露其存在，从而使观测者能够通过细致的测量来瞥见它们。在今天发布的一系列五篇论文中，这基本上就是 NANOGrav 声称已经完成的事情。
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威斯康星大学密尔沃基分校的天体物理学家、NANOGrav 成员莎拉·维格兰德说：“这令人难以置信地兴奋，因为我们认为我们正在开始打开通往引力波宇宙的新窗口。”
（迄今为止，该合作项目的工作尚未完全达到物理学家评估发现的稳健性的统计金标准。因此，目前，从事该项目的科学家们谦虚地声称“引力波背景的证据”，而不是全面的探测。但他们相信，随着更多的观测，这一里程碑将会到来。）
NANOGrav 只是全球正在进行的几个不同的脉冲星定时阵列项目之一。所有这些努力都遵循相同的基本蓝图：它们使用射电望远镜长期监测数十颗超级可预测的脉冲星，以捕捉其有节奏的旋转中的微小变化。
康奈尔大学的天体物理学家、NANOGrav 成员感谢克罗马蒂说：“我们可以创建这些模型，基本上让我们知道到达时间，其精度可以与原子钟相媲美。” “所以我们知道什么时候有事情发生，有什么在起作用，导致脉冲星的滴答声稍微不同步”——比如引力波拉伸和收缩地球和每颗脉冲星之间的空间。
这构成了一个非常优雅的自然实验。“你不需要建造这个价值数十亿美元的探测器；你只需要组装一个射电望远镜并观察宇宙，”西北大学的天体物理学家、NANOGrav 成员凯特琳·维特说。
虽然脉冲星定时阵列不需要极其专业的探测器，但它们确实需要耐心。在 2020 年 NANOGrav 先前的论文的基础上，这些论文报告了一个更接近临界值的信号，该信号与对引力波背景的预期一致，最新的结果包括来自北美合作组织的 15 年的数据。NANOGrav 现在正在监测 68 颗不同的脉冲星，这些脉冲星构成了一个大约我们星系大小的自然引力波探测器。（该项目分析中的“新”数据运行到 2020 年 8 月，当时波多黎各阿雷西博天文台的标志性射电望远镜开始滑向坍塌并停止观测。此后，加拿大氢强度测绘实验加入了 NANOGrav，以增强其能力。）
但尽管数据量很大，并且今天发布了充满希望的公告，但科学家们才刚刚开始探测到引力波背景，并且仍然有比答案更多的问题。
例如，虽然普遍认为超大质量黑洞对是造成大部分引力波背景的特定天体物理来源，但对此的结论性证据仍然难以捉摸。
西弗吉尼亚大学的天体物理学家、NANOGrav 成员莫拉·麦克劳克林说：“你可以将每个单独的超大质量黑洞双星视为一件乐器，而引力波背景是所有这些乐器加在一起的交响曲。” 但可能也存在其他“乐器”，它们可能对巨型引力波的宇宙噪音做出同样多，甚至更多的贡献。
通过分析交响曲的“声音”，科学家们希望确定有多少这样的乐器在演奏，甚至开始了解这些超大质量黑洞双星的样子。并且由于科学家们认为这些双星是超大质量黑洞宿主星系碰撞的后果而出现的，因此 NANOGrav 的工作应该有助于揭示包括银河系在内的大型星系的层次结构组装。
但是，其他更奇怪的现象，例如宇宙弦或来自大爆炸后的大规模膨胀量子涨落，也可能对引力波背景做出贡献。科学家们还没有足够的数据来区分差异，也不知道有多少信号来自哪种类型的来源。
NANOGrav 报告的引力波背景信号的一个特别令人困惑的方面是，它出乎意料地强——大约是预测强度的两倍。如果更深奥的解释没有奏效，并且信号纯粹来自超大质量黑洞双星，那么其意外的强度可能意味着这些巨兽本身比科学家们推测的更大或更多。
普林斯顿大学的天体物理学家珍妮·格林说，这样的发现可能会激发新的努力，以在更传统的望远镜数据中找到超大质量黑洞合并的证据，她没有参与这项新研究。“这有点令人尴尬：我们预计[超大质量]黑洞应该正在合并，但我们真的无法找到观测证据，”她说。“如果存在如此多的双星，我们真的应该能够找到它们，所以我认为这将刺激这方面的新努力。”
为了理清信号的来源，科学家们将需要花费更多的时间观察更多的脉冲星。“这有点像你挖出恐龙骨骼，然后你开始掸掉灰尘。起初你会想，‘哦，这看起来很酷。’然后你去除的灰尘越多，你就越能开始看到骨骼，”耶鲁大学的天体物理学家、NANOGrav 成员基亚拉·明加雷利说。“现在我们绝对知道我们找到了恐龙骨骼，但也许我们还不知道它是什么种类的恐龙。”
尽管存在这种不确定性，但科学家们确信信号是真实的，并且来自引力波，因为只有在最新一批 NANOGrav 数据中才出现了一种独特的指纹。1983 年，研究人员计算出，当通过不同的脉冲星对观察时，引力波背景信号会略有但可预测地变化，这取决于每颗脉冲星在天空中的位置，以及另一颗脉冲星出现的位置。NANOGrav 科学家表示，他们现在在数据中看到了这种相关性。“这是真正令人兴奋的新部分，它开始让你相信他们真的在探测合并的黑洞，”格林说。
随着 NANOGrav 和其他脉冲星定时阵列继续他们的工作，科学家们不仅希望了解是什么类别的物体正在产生引力波背景，而且还希望开始看到来自背景噪声中出现的不同对超大质量黑洞的信号。
乔治梅森大学的天体物理学家肖比塔·萨蒂亚帕尔说：“真正的考验将是对单个事件的探测”，她没有参与这项新研究，并称其令人兴奋。
NANOGrav 科学家也很高兴继续与澳大利亚、欧洲和印度的类似脉冲星定时阵列实验的合作者合作，将所有这些小组的观测结果合并到一个更强大的探测器中，该项目被称为国际脉冲星定时阵列。“我怀疑当它们合并时，这些发现会更加可靠——至少，这是希望，”耶鲁大学的天体物理学家、NANOGrav 成员普里亚姆瓦达·纳塔拉詹说。
其他更新的探测器也在加入搜寻行列。它们包括中国的强大的五百米口径球面射电望远镜（FAST），该望远镜于 2016 年开始观测。“对于探测[单个超大质量黑洞双星系统]来说，真正重要的是拥有一台非常强大的望远镜，它可以对我们最好的脉冲星进行非常精确的定时，”明加雷利说。“目前，中国的 FAST 望远镜在这方面确实处于领先地位。”
随着脉冲星定时工作的继续，未来的天文台也可能做出贡献。澳大利亚和南非的平方公里阵列预计将于 2027 年开始运行。北美科学家希望拥有自己的新天文台：天文学家提议在内华达州建造一个名为深空巡天阵列–2000 的项目。无论来源是什么，最重要的任务将是收集更多更好、关于更多脉冲星的数据，这将有助于确定在宇宙中无形地荡漾的引力波。
麦克劳克林说：“未来几十年还有很多工作要做。” “真的，这绝不是故事的结局——这仅仅是开始。”