银河大小的引力波探测器提示了奇异物理

时空的结构可能在巨大的引力波的作用下起泡，并且这种可能性使物理学家陷入了头昏眼花的状态。从被称为脉冲星的死恒星核的光中看到的潜在信号推动了一系列理论性论文，推测了奇特的解释。

最平凡但仍令人震惊的可能性是，与使用银河作为巨大引力波探测器的北美纳赫兹引力波观测站（NANOGrav）合作的研究人员终于看到了人们长期以来寻求的背景信号超大质量的黑洞崩溃并在整个宇宙中融合。另一种解释是，它来自高能量宇宙弦的振动网络，可以为科学家提供有关物理现实基本成分的极为详细的信息。第三种可能性是，合作发现了曙光初现的无数小黑洞的产生，这本身就可以解释被称为暗物质的神秘物质。

“人们多年来一直在预测宇宙弦和原始黑洞，现在终于有了一个信号，”康涅狄格大学天体物理学家，NANOGrav小组成员Chiara Mingarelli说。 “我们不确定是什么产生了这个信号，但是很多人真的非常激动。”

物理学界从诸如雷射引力波天文台（LIGO）及其欧洲同行处女座等大型地球引力波实验中学到了很多有关宇宙的知识。但是，正如电磁波的频谱范围从挤压的伽马射线到冗长的无线电波一样，引力波的作用范围是时空的微小振动，这种振动是由太阳大小的黑洞合并到在光年中可测量的波长的黑洞合并而成的。需要数十年才能绕过我们的星球。 NANOGrav一直在努力捕捉来自较大波的集体重叠的杂音，这些杂音是在潜伏在星系中心的庞然大物黑洞碰撞时产生的。

它通过专注于被称为毫秒脉冲星的物体来做到这一点，当大量恒星爆炸成超新星并离开其快速旋转的残留心时，它们就会出现。脉冲星的强大磁场可以产生一束辐射，该辐射可以绕来回摆动，以与原子钟的精度相媲美的规律性反复掠过地球。如果时空结构的扭曲发生在我们的星球与脉冲星之间，则可能导致该信号比预期的早或晚到达。如果是一台望远镜看到这样的偏移，那可能就没有多大意义了。但是，NANOGrav一直在监视超过12.5年的散布在数千光年中的45个脉冲星的光，寻找它们的到达时间之间的相关性，以表明重力波的存在。

去年9月，合作在预印服务器arXiv.org上发布了一篇论文，该论文包含尚未经过同行评审的科学文章，表明其受监视的脉冲星都显示出类似的斑点。 （此文件已经过同行评审和发表。）这种情况的发生几率在1,000到10,000之间，Mingarelli说。作为一个整体，NANOGrav持谨慎态度，并避免声称看到重力波信号，这需要观察其脉冲星信号到达时间之间的高度特定的相关性。但这并没有阻止其他科学家使用这些数据。

波兰华沙大学的理论物理学家Marek Lewicki回忆说，NANOGrav的研究出现在星期五的早晨，并且在他的合作者伦敦金学院的约翰·埃利斯（John Ellis）于上午10点发现了它。尽管通常对这种信号的解释是超大质量黑洞引力波背景，但莱维基知道另一个可能的罪魁祸首是宇宙弦，他开始运行模型以查看该选项是否可以解释数据。他说：“到星期六，这显然很合适。”

研究人员喜欢宇宙弦，因为它们直接将宇宙事件与高能粒子物理学联系起来。大爆炸之后不久，电磁力和强弱核力这四个已知力中的三个就会被融合为一个超力。当强大的核力量解离时，宇宙将经历所谓的相变，就像水冻结成冰一样。就像冰封的湖泊通常包含长大的裂缝一样，当它的大块凝固时，就会形成裂缝，可见的宇宙将散布着纵横交错的巨大一维能量管。这样的物体会像钢琴弦一样紧张，并可能振动出引力波，这些引力波看起来像是NANOGrav拾取到的信号。

因为这些宇宙弦起源于时间的开始，所以它们将携带有关过程的信息，例如宇宙膨胀，在此期间，宇宙被令人难以置信的因素迅速膨胀，并且在不同的极端温度下产生了不同的粒子，位于日内瓦附近的欧洲核子研究组织（CERN）的理论物理学家Kai Schmitz说。这种条件下的信息（在大型强子对撞机等粒子加速器中无法创建）可以帮助研究人员建立一个统一的理论，将大多数已知的粒子和力连接起来，从而取代当前的标准模型。 1月28日，施密茨（Schmitz）与两位合作者在《物理评论快报（Physical Review Letters，PRL）》上发表了一篇论文，概述了宇宙弦如何解释NANOGrav数据，同一天出现了Lewicki和Ellis的类似文章。

伦敦国王学院的宇宙学家尤金·林（Eugene Lim）说：“如果我们检测到宇宙弦，那将是我一生的发现。” “这比希格斯玻色子更重要，可能比引力波本身更重要。”

由于这个原因，不是两篇论文的合著者的Lim都强调，必须对这些概念进行充分的约束。 NANOGrav的合作仍需要确认它实际上正在看到引力波。他补充说，这些引力波频谱的形状尚未找到并符合宇宙弦的解释，而每种解释都可能需要几年的时间。

同时，物理学界的另一支队伍建议信号可能起源于被称为原始黑洞的实体。不同于规则的黑洞，它们是在巨大的恒星死亡时诞生的，它们会在早期宇宙中形成，这是由于通货膨胀结束时发生的过程导致物质和能量不均匀地分散在整个宇宙中。某些高密度区域可能因自身重量而坍塌，从而产生各种大小的黑洞。 LIGO和处女座的观察可能表明原始黑洞之间的合并已经在许多研究人员的脑海中植入了这种想法，即这些奇怪的物体不仅仅是投机小说。某些理论家喜欢它们，因为作为不发光的实体，它们可以解释宇宙中部分甚至全部暗物质。

日内瓦大学的天体粒子宇宙学家安东尼奥·里奥托（Antonio Riotto）说：“这是一种经济的解释，因为它们不需要对未检测到的奇异粒子（如WIMPs或斧头）进行理论化，而这些粒子迄今在物理学家对暗物质的沉思中占据了主导地位。

Riotto和两位合著者共同撰写了第三篇论文，该论文发表在PRL上，展示了如何通过大爆炸后不久产生的小行星大小的多个黑洞来解释NANOGrav信号，从而产生引力波遗迹。在现代旅行给我们。根据研究人员的模型，这些微型原始黑洞可能占宇宙暗物质的100％。

没有参加这项工作的西班牙马德里自治大学的理论物理学家胡安·加西亚·贝利多（JuanGarcía-Bellido）说，然而，也有可能需要仔细研究这种可能性。尽管NANOGrav数据包含提示，但它并未完全显示出表示重力波的特定相关模式，因此许多猜测对他而言还为时过早。他说：“我是第一个希望获得原始黑洞的人。” “但是，恐怕还不存在。”

尽管如此，理论活动的爆发表明物理学家对这些结果的重视程度。 NANOGrav研究人员正在整理另外两年半的脉冲星数据，这可以帮助区分所有这些解释中的某些还是组合可能是可行的。他们还与国际合作者合作，例如欧洲的欧洲脉冲星定时阵列（EPTA）和澳大利亚的Parkes脉冲星定时阵列（PPTA），每个观测者都对其他脉冲星有观测，这可以使他们更接近发现所需的相关性，从而最终确定目标引力波背景-这个过程应该在今年年底之前进行。

Mingarelli说：“如果在合并所有数据时没有看到信号，我会感到震惊。”