整个时空都因引力波而荡漾
这张地图显示了银河系内 68 毫秒脉冲星相对于我们脉冲星的相对位置。有些距离我们约 10,000 光年，但许多距离更近，测量脉冲星对之间脉冲星时间的差异（相对于它们之间的角度）是提取穿过我们星系的引力波信号的方法。
宇宙各处的行星、恒星、恒星残骸和其他大质量物体都被锁定在复杂但本质上不稳定的引力舞蹈中。每个质量都会在其各自附近弯曲时空结构，而其他每个质量都会沿着由该弯曲时空确定的路径移动。但这种简单的行为——一个质量穿过被另一个质量弯曲的空间——本质上是不稳定的，因为穿过引力场的引力质量会发生辐射反应，要求它们发射引力辐射或引力波。
自广义相对论提出以来的 100 年里，这些引力波一直未被检测到，直到 LIGO 科学合作在低质量黑洞（几百个太阳质量或以下）中在其吸入和合并的最后阶段检测到了它们。自 2015 年第一次探测以来，大约还探测到了 100 个其他引力波信号，但都处于吸气和合并的同一末期。
科学家首次以完全不同的方式观察到一类新的引力波信号：科学家监测宇宙中最精确的自然时钟——毫秒脉冲星的计时。在一系列精彩的论文中，NANOGrav 合作提供了强有力的、令人信服的证据，证明在比 LIGO 能够看到的时间长约 100 亿倍的时间尺度上存在可探测的引力波背景。它标志着首次直接探测到这种宇宙引力波背景，接下来的步骤将更加令人兴奋。
该图显示了地球本身嵌入时空中，如何看到来自各种脉冲星的到达信号被传播到整个宇宙的宇宙引力波背景延迟和扭曲。这些波的综合效应改变了每个脉冲星的时间，对这些脉冲星进行长时间尺度、足够灵敏的监测可以揭示这些引力信号。
首先，看到这些引力波是多么巨大的成功。广义相对论的一项引人注目的预测是，与牛顿的引力不同，引力束缚的系统不会永远稳定。根据牛顿定律，如果你把宇宙中的任何两个质量放在彼此围绕的轨道上，它们都会形成一个闭合椭圆的形状，在每个轨道上一遍又一遍地返回到同一点，并且该轨道永远不会衰减，但是保持永恒稳定。
在广义相对论中并非如此。根据爱因斯坦的引力理论，任何两个质量都不能永远相互绕转，因为时空弯曲的方式绝对不允许这种情况发生。随着时间的推移，这些质量将以引力波的形式辐射出能量，随着轨道的衰减，它们逐渐相互吸引。最终，如果等待足够长的时间，就会损失足够的能量，这些质量将：
靠得更近，
进入更紧密的轨道，
他们移动得更快，
发射更高频率（更短周期）和更大振幅的引力波，
等等等等，
直到它们最终融合在一起。
在爱因斯坦的宇宙中，就我们所能测量的而言，这是对我们宇宙的最好描述，每个系统都以这种方式不稳定。即使太阳和地球像现在一样永远存在，大约 1026 年之后，地球也会旋转并融入太阳。
两个黑洞吸入和合并所发出的引力波的数值模拟。每个黑洞周围的彩色轮廓代表引力辐射的幅度；蓝线代表黑洞的轨道，绿色箭头代表它们的自旋。通过弯曲时空区域加速一个质量的行为总是会导致引力波的发射，即使对于地球-太阳系统也是如此。
有迹象表明，这种类型的轨道衰变以及必然相关的引力波发射甚至在我们直接测量第一个引力波之前就发生了。这个暗示来自一种被称为毫秒脉冲星的物体：宇宙中最精确的自然时钟。脉冲星是一颗中子星，具有极其强大的磁场：中子星表面的磁场强度是我们星球表面磁场强度的数十亿到四万亿倍。脉冲星具有旋转轴和偏移磁轴，因此每次旋转时，它们都会向每个恰好与其磁轴指向的物体“发射”短暂的光点。
并非每颗中子星都是脉冲星，但我们还不知道这是因为并非每颗中子星都会发出脉冲，还是仅仅因为大多数中子星在旋转时其磁轴没有“指向我们”。但在观测到的脉冲星中，大多数都是年轻的和/或旋转缓慢的。但随着年龄的增长，它们会加速旋转，因此有一群非常古老的脉冲星，其旋转周期为 1-10 毫秒，每秒脉冲 100 次或更多。这些毫秒脉冲星是宇宙中最精确的自然时钟，可以在几十年的时间内将时间保持在约 1 微秒以内。
在 20 世纪下半叶，我们发现了第一个双脉冲星系统：其中一颗脉冲星绕着另一个恒星质量天体运行。你瞧，根据其脉冲定时，观察到它的轨道正在衰变，这与广义相对论的预测完全一致。
由于（引力势）能量随着轨道的衰变而消失，一定有什么东西把能量带走了，而引力波确实是唯一的选择。这是建造 LIGO 和 Virgo 等地面引力波探测器的主要动机之一，以直接探测这些螺旋和合并的最后阶段。从 2015 年第一次真正的探测发生到现在，这是唯一成功地、直接观测到这些引力波的方法。
三套不同的引力波方法：地基激光干涉仪、天基激光干涉仪和脉冲星计时阵列，都对不同类别的引力波信号敏感。虽然 LIGO 是第一个在极高频率下探测引力波的合作，但 NANOGrav 合作在极低（纳赫兹）频率下看到了强有力的证据。
今天，2023 年 8 月 05 日（或世界某些地区的 8 月 06日），是一切都改变的日子。
宇宙中所有绕轨道运行的物体都会发射引力波，紧密的轨道会产生高频（短周期）引力波，较宽的轨道会产生低频（长周期）引力波。LIGO 使用的激光臂长达几公里，对周期为几分之一秒的引力波敏感，而其他引力波探测器团队则使用来自银河系对面的已知毫秒脉冲星，这些脉冲星之间的间隔为数千光年。通过一起观察它们并观察脉冲星对之间的时间差异，他们可以测量数年甚至十年周期的引力波。经过 15 年的艰辛努力，NANOGrav 合作组织终于从足够多的毫秒脉冲星中收集了足够的数据，最终得出结论：
NANOGrav 合作组织提取的引力波信号，如绿色等值线（1-sigma 和 2-sigma）所示，以及预测信号（如果该宇宙背景 100% 来自双超大质量黑洞）。这解释了观察到的信号的性质的证据还不够，但也不是非常不一致。
我们大多数人在描绘空间时，很可能会像牛顿那样：将空间描绘成某种类型的三维网格。当爱因斯坦的广义相对论出现时，他的理论显示了牛顿图景的三个缺陷，尽管最初只有前两个缺陷被普遍认识到。
将空间视为一个三维系统，在其顶部放置一组坐标，这很好，但坐标的选择是任意的，并且每个观察者在我们的四维时空中的独特位置上都会有不同的看法。以独特的动作穿过那个空间。不存在比任何其他坐标集更好或更差的“绝对”坐标；它们都与每个特定的观察者相关，包括它们的位置和移动方式。
空间本身的结构不是平面的、网格状的、笛卡尔式的，而这正是牛顿对空间的构想。相反，该空间是弯曲的，并且可以“流入”或“流出”宇宙的区域，具体取决于宇宙的该部分是膨胀还是收缩。正如 20 世纪广义相对论最伟大的思想家之一约翰·惠勒 (John Wheeler) 所说，“时空告诉物质[和能量]如何运动，而物质[和能量]反过来又告诉时空如何弯曲。”
叠加在弯曲时空之上的，对于每个观察者来说都有独特的结构，是所有以光速在时空传播的引力波：来自各个方向。处于时空中的某个点就像处于不稳定的海洋之上，因为您会同时感受到所有海洋源产生的所有波浪的累积效应。只不过，在时空中，是宇宙海洋产生了这些波，以及我们可见宇宙中所有形式的物质和能量。
在所有频率下，我们的宇宙都会发出由所有引力波组合在一起产生的“嗡嗡声”。有时，在吸气或合并的最后阶段，一种特殊的引力波声音——来自由两个质量组成的一个双星系统——在背景合唱中脱颖而出，以不断上升的音调喊叫，最终形成刺耳的“叽叽喳喳”声，这是LIGO 等地基引力波天文台正在测量恒星质量黑洞和中子星，而天基 LISA（激光干涉仪太空天线）将观测吞噬其他足够大质量的超大质量黑洞。
但这种“背景嗡嗡声”存在于所有频率，而且重要的是，它是由宇宙中相互绕转的所有质量产生的。这适用于：
行星绕恒星运行，
属于多星系统成员的恒星，
恒星遗迹及其系统，
恒星和恒星残骸在星系内移动，
合并在一起的星系，
以及超大质量黑洞以及围绕它们运行的所有物体。
基于我们对宇宙的最佳现代理解，我们可以建模并计算所有频率下引力波背景的预期震级。如果我们达到适当的灵敏度水平，在任何这样的频率下，我们将能够检测到这种背景的存在。如果我们能变得比这更敏感，我们应该能够梳理出造成这种背景的信号的性质，确定是什么真正创造了这些渗透到我们宇宙的引力波。
这些是 15 年 NANOGrav 数据中包含的 68 毫秒脉冲星，根据观测到的频率、观测到它们的天文台以及观测的持续时间进行颜色编码。随着更多的天文台观测到更多的脉冲星，数据对任何背景引力波信号变得更加敏感。
这是 NANOGrav 合作组织宣布的重大消息，该合作组织综合了在整个北美观测到的数十个毫秒脉冲星的脉冲星计时数据。（还有其他脉冲星计时阵列，包括欧洲的 EPTA、印度的 InPTA、中国的 CPTA、澳大利亚的 Parkes 脉冲星计时阵列，以及寻求综合所有这些的国际努力：IPTA。）在过去的 15 年里，NANOGrav 已经：
增加了他们观测到的脉冲星数量，从最初的 14 颗增加到今天的 68 颗，展望未来将有超过 80 颗，
增加了观测这些脉冲星的望远镜和望远镜阵列的数量（最近倒塌的阿雷西博天文台除外），
增加了可以观测到每个脉冲星的频段类型（范围从低 327 MHz 到高 3.0 GHz），
增加了观测到这些脉冲星的基线时间（刚刚发布了他们的 15 年数据集），
并且，由于所有这些，提高了数据的信噪比，以努力发现这种背景嗡嗡声。
终于，他们第一次到达了那里。他们拥有足够的高质量数据，可以看到这种背景嗡嗡声存在的良好证据，（根据理论）预计这种背景嗡嗡声将在这些频率下出现，主要来自合并后星系中心发现的超大质量黑洞对。
当两个黑洞合并时，它们的很大一部分质量可以在很短的时间间隔内转化为能量。但在更长的时间内，有一个早期阶段，这些黑洞以 1-10 年的周期运行，脉冲星定时可能对这些系统在整个宇宙中的累积效应敏感。
他们这样做的方法不是单独查看这些脉冲星中任何一个的绝对定时测量，而是将所有脉冲星对的定时数据关联起来（即查看任意两个脉冲星之间看到的定时变化的所有可能组合）脉冲星，一起）并观察它们的信号如何变化：同相或异相，正相关或负相关，频率相关或频率无关等。
不同的信号应该产生不同类型的相关性，因此 NANOGrav 合作测试了他们所看到的内容，根据不同的预测集，根据数据，它看起来“不仅仅是噪声”。
他们没有看到任何证据表明这些引力波是在早期宇宙开始时由暴胀产生的，这很好，因为如果这些引力波发出的信号如此之大以至于它们出现在这些敏感度处，它将挑战我们认为我们所知道的关于宇宙的起源。
他们没有看到任何奇异物理的证据：奇异的相变、原始黑洞或其中的宇宙学缺陷。
他们也没有看到鸣叫的证据，如果我们有超大质量（也许对于传统物理学来说太大而无法解释）黑洞双星合并在一起，就会出现鸣叫。
但是，尽管还没有足够的信号来确定这些引力波是什么，我们还是看到了一些东西，而且看起来这个东西与信号理论学家的预期最一致：双超大质量黑洞。
如果证据表明引力波背景“嗡嗡声”是由双超大质量黑洞引起的，那么信号和脉冲星在天空中出现的角度之间应该存在相关性。支持这一点的证据非常好，但不是 100% 确定。
数据将超大质量黑洞双星作为最可能的解释的原因很简单：由于星系的聚集方式，我们预计会看到来自不同方向的不同信号。因此，如果任何两个脉冲星之间的相关性与相对于我们位置的角度之间存在关系，那么这两个脉冲星在天空中，这将是对数据的超大质量黑洞解释的暗示性证据。这些证据是存在的，但还没有达到足以宣称“发现”的程度。
这意味着我们必须考虑令人不快的事情：这个信号仍然有可能只是侥幸。它尚未达到物理学和天体物理学发现的“黄金标准”：5-sigma 显着性阈值；大约只有 4-sigma 左右。NANOGrav 的信号有大约万分之一的可能性是统计异常，并且还有其他一些非引力波产生的伪影导致了这种情况的出现。但 NANOGrav 并不是唯一一个有启发性的合作项目。
中国脉冲星计时阵列（CPTA）已宣布探测到这种引力波背景，其显着性为 4.6 西格玛，但其主要限制是只有 3 年的数据。
印度脉冲星定时阵列 (InPTA) 发现了与宇宙引力波背景“嗡嗡声”一致的东西，但只有 3 西格玛显着性。
澳大利亚的帕克斯脉冲星计时阵列既无法证实也无法反驳这种信号的存在，因为他们只能看到微弱的（2-sigma）证据证明其存在。
但国际脉冲星计时阵列希望在未来 1-2 年内综合所有这些不同合作的所有观测结果。当他们这样做时，我们可能会利用现有的数据达到所吹嘘的 5-sigma 发现阈值。
随着精确观测到的毫秒脉冲星数量和每个脉冲星观测时间的增加，NANOGrav 合作观测到的信噪比也随之增加。随着这些数字的不断提高，我们很快就会突破重要性的“黄金标准”，从而能够描述宇宙背景“嗡嗡声”的本质。
然而，不要让这些阻止您认识到这一时刻对科学史的重要性。
我们探测到了宇宙引力波背景的存在！尽管我们尚未描述其本质，但仅仅看到“它就在那里”就已经是一项令人惊叹的成就。
我们正在努力表征它，如果可以的话，我们将拥有继 LIGO/Virgo 地面激光干涉仪方法之后的第二种直接探测引力波的方法。
只需通过更好地测量脉冲星，即拥有更多数量的脉冲星监测盘和这些脉冲星的全球覆盖范围，我们就能实现这些目标。
但这一成就也为做更多事情提供了非常有力的科学理由：自己建造更大、更灵敏的射电望远镜。随着阿雷西博的坍塌和甚大阵列的时代，建造 ngVLA 的科学案例已经变得势不可挡：下一代甚大阵列。它被美国国家科学院在 2020 年十年调查中命名为射电天文学的首要任务，按照设计建造它将为引力波物理发现开辟一个新时代。
所有时空确实都因存在的所有引力波的综合效应而产生涟漪。这是我们第一次确信我们已经看到了它，而且我们即将真正准确地了解它的来源。