透過由快速旋轉的中子星組成的「星系級重力波探測器」，天文學家發現宇宙結構正在不斷振動。這種背景「隆隆聲」可能源自於星系中心超大質量黑洞的合併，而此次研究還發現了這些訊號比預期更強的有趣現象。
重力波是時空結構中的漣漪，可分為高頻與低頻兩種。一般的黑洞合併會發出高頻重力波，可用地面探測器探測；而超大質量黑洞在星系合併後發出的低頻重力波，只有星系級的探測器才能檢測到。
圖說：重力波頻譜。地面探測器可探測恆星級黑洞合併的重力波，若要觀測更地頻率的重力波則需要更長基線的探測器。下一代雷射干涉太空天線可望探測到更大質量的合併事件，而超大質量黑洞合併的重力波波長可達數光年，需利用脈衝星計時陣列才能探測。來源：ESA
研究團隊使用了MeerKAT脈衝星計時陣列（MPTA），這是一個由南非MeerKAT無線電波望遠鏡陣列為基礎的探測計畫。MPTA觀測83顆脈衝星，記錄其發出的脈衝到達地球的時間，並分析奈秒級的微小偏差。脈衝星因其穩定性被稱為「宇宙時鐘」，這些緻密天體每秒旋轉數百次並發出規律的輻射脈衝。如果重力波經過地球與脈衝星之間的時空，會改變脈衝的到達時間，為檢測重力波提供線索。
MPTA的觀測結果顯示，重力波背景的訊號比預期的更強，這可能意味著宇宙中存在更多超大質量黑洞雙星系統，或我們的理論模型需要進一步修正。此外，團隊還首次在南半球天空的7 nHz頻段發現了一個「熱點」，可能是超大質量黑洞合併的集中活動區域。這支援了重力波背景主要來自於這些雙黑洞系統的理論，而非來自於均勻分佈的早期宇宙事件（如宇宙弦或量子漲落）。然而，該「熱點」是否確實為物理現象還是統計異常仍需未來的觀測來確認。
圖說：全天域重力波背景訊噪比繪製圖（7nHz）。白色的星點為MPTA中使用的脈衝星位置，越大的星點代表可以提供更多關於背景重力波的資訊。在南半球的位置（RA\=1h, DEC\= −70◦）存在顯著的訊號。來源：Matthew T. Miles et al,(2024)
未來，研究團隊將繼續結合其他國際脈衝星計時陣列（NANOGrav、PPTA）的資料，進一步檢測重力波背景的來源與特徵。這些研究將使我們更深入地瞭解宇宙的時空結構與起源，並為探索早期宇宙的未知領域提供新方向。
研究成果在本月以三篇論文的形式發表於《皇家天文學會月刊》。（編譯／王庭萱）
資料來源：The Conversation
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