猎取引力波的背景：NASA的费米伽玛射线太空望远镜搜索时空的涟漪

费米望远镜在地球上空500公里处运行，主要收集来自毫秒脉冲星的伽马射线。当这些高能光子穿越银河系时，它们遇到了由在合并星系中心凝聚的一对超大质量黑洞产生的低频引力波的海洋。波长超过100万亿公里的时空涟漪导致每个光子比预期的时间稍早或稍晚到达。监测来自许多这些毫秒级脉冲星的伽马射线--一个被称为脉冲星计时阵列的实验--可以揭示出这种提示性的特征。脉冲星计时阵列以前只使用敏感的射电望远镜。现在，来自费米的数据使基于伽马射线的脉冲星计时阵列成为可能，并对这些引力波提供了一个新的、清晰的视角。

包括来自德国波恩马克斯-普朗克射电天文研究所的Aditya Parthasarathy和Michael Kramer在内的一个国际科学家团队的发现最近发表在《科学》杂志上。

在大多数星系--像我们自己的银河系那样由数千亿颗恒星组成的集合体--的核心是一个超大质量的黑洞。银河系因其巨大的引力而相互吸引，当它们合并时，它们的黑洞就会下沉到新的中心。当黑洞向内旋转和凝聚时，它们会产生长长的引力波，在波峰之间延伸出数百万亿公里。宇宙中充满了这种合并的超大质量黑洞，它们让宇宙充满了低频时空波纹的“海洋”。

几十年来，天文学家一直在通过观察脉冲星的脉冲来寻找这些波，脉冲星是大质量恒星的密集残留物。脉冲星以极有规律的方式旋转，天文学家确切地知道什么时候可以看到每个脉冲。然而，引力波的海洋微妙地改变了脉冲到达地球的时间，精确地监测天空中的许多脉冲星可以揭示其存在。

这个可视化图显示了两个质量几乎相等的黑洞（黑球）在螺旋式旋转并合并时发出的引力波。黑洞附近的黄色结构说明了该地区时空的强曲率。橙色的波纹代表了由快速运行的质量引起的时空扭曲。这些扭曲扩散并减弱，最终成为引力波（紫色）。合并的时间尺度取决于黑洞的质量。

以前对这些电波的搜索只使用大型射电望远镜，这些望远镜收集和分析电波。但是现在，一个国际科学家小组在美国宇航局费米伽马射线太空望远镜收集的十多年的数据中寻找这些微小的变化，他们的分析表明，只要再观察几年，就有可能检测到这些波。

由科尔和位于德国波恩的马克斯-普朗克射电天文研究所（MPIfR）的研究员阿迪塔-帕塔萨拉西共同领导的这项研究的结果发表在4月7日的《科学》杂志上。

光有多种形式。低频无线电波可以穿过一些物体，而高频伽马射线在遇到物质的时候会爆炸成高能粒子流。引力波的范围也很广，质量更大的物体往往会产生更长的波。

不可能建造一个足够大的探测器来探测由合并的超大质量黑洞驱动的万亿公里的波，所以天文学家使用自然发生的探测器，称为脉冲星计时阵列。这些是毫秒级脉冲星的集合体，它们在无线电波和伽马射线中都很耀眼，而且每秒钟旋转数百次。就像灯塔一样，这些辐射束在掠过地球时似乎有规律地跳动，当它们穿过引力波的海洋时，它们被印上了遥远的大质量黑洞的微弱轰鸣声。

脉冲星最初是用射电望远镜发现的，用射电望远镜进行的脉冲星计时阵列实验已经运行了近20年。这些大盘子对引力波的影响提供了最灵敏的反应，但是星际效应使无线电数据的分析变得复杂。空间大部分是空的，但是在穿越脉冲星和地球之间的巨大距离时，无线电波仍然会遇到许多电子。与棱镜弯曲可见光的方式类似，星际电子也会弯曲无线电波并改变它们的到达时间。高能伽马射线不会受到这种影响，因此它们为脉冲星计时提供了一种补充性的独立方法。

伽马射线脉冲星计时阵列在费米号发射前没有被设想过，它代表了感知引力波天体物理学的一个强大的新能力。用脉冲星探测引力波背景指日可待，但仍然很困难。一个独立的方法在这里通过费米意外地显示出来，是一个好消息，既可以确认未来的发现，又可以证明它与射电实验的协同作用。