超大质量黑洞双星插图。鸣谢:美国宇航局戈达德太空飞行中心/斯科特·诺布尔
据西北大学（阿曼达·莫里斯）：虽然天体物理学家从未感应到超大质量黑洞双星系统，但一个由死亡恒星组成的星系大小的探测器正在追踪它们。
在一项由西北大学领导的新研究中，天体物理学家处理了45颗死亡恒星(称为脉冲星)12.5年的数据，为成对巨型黑洞发出的引力波信号设定了最佳限制。了解这些极限将有助于天体物理学家限制附近宇宙中存在的双星数量，确认或否认现有的双星候选，并在某一天从这些复杂的双星对中检测引力波。
在另一项突破中，该研究还发现，在搜索超大质量黑洞对时，研究人员需要考虑宇宙中所有超大质量黑洞双星的引力波交响乐所产生的稳定的背景噪音。
这项名为“NANOGrav 12.5年数据集:单个超大质量黑洞双星引力波的贝叶斯极限”的研究被《天体物理学杂志快报》接受，并将于今年夏天发表。它目前发表在arXiv预印本服务器上。
“我们真诚地认为，通过引力波探测超大质量黑洞双星指日可待，”西北大学的凯特琳·威特说，他领导了这项研究。
“对于许多科学领域来说，这将是一个重要的发现。这将使我们能够进行进一步的实验，如测试引力，以探索超大质量黑洞双星是否按照我们认为的方式进化，并且它将教会我们如何在未来的调查中寻找它们。我们还将能够回顾宇宙时间，追溯我们生活的宇宙的历史。”
威特是西北大学天体物理学跨学科探索和研究中心(CIERA)和阿德勒天文馆的CIERA-Adler博士后研究员。
大到无法探测
超大质量黑洞位于大多数星系的中心，质量可能是我们太阳的几十亿倍。典型的恒星质量黑洞比我们的太阳大10到100倍，相比之下，超大质量黑洞大得不可思议。
当两个星系——每个都有一个中心超大质量黑洞——合并在一起，它可以创建一个由这些可怕的黑洞组成的双星系统。
“有一天，我们的星系将与仙女座星系相撞，”威特说。“数百万年后，黑洞最终会找到彼此，形成一个小伙伴系统。从这样的系统中探测引力波将有助于我们理解星系如何相互作用以及宇宙如何演化。”
2016年，由西北大学教授Vicky Kalogera共同领导的国际团队使用激光干涉仪引力波天文台(LIGO)首次探测到两个恒星质量黑洞合并产生的引力波，这导致了时空中明显的短暂波动。但是超大质量黑洞双星对于像LIGO这样的地面设备来说太大太远了。
这些怪物对产生的波如此之长，以至于它们的引力波可能需要几年甚至几十年才能完全冲刷地球。即使美国宇航局和欧洲航天局在21世纪30年代初发射LISA(一种基于空间的引力波探测器，西北大学教授Shane Larson是该探测器的联合首席研究员)，它仍然无法探测到如此巨大的波。
“LIGO只能探测适合它手臂的波长，”威特说。“我们必须寻找低得多的波动频率。我们对超大质量黑洞对很敏感，它们可能需要一个月甚至15年的时间才能环绕彼此运行。因此，我们正在寻找一个可以融入背景的稳定信号。”
脉冲星像时钟一样滴答作响
为了克服这一障碍，研究人员的国际合作建立了北美纳赫兹引力波天文台(NANOGrav)，该天文台利用脉冲星搜寻引力波，脉冲星是一种快速旋转的中子星，产生于大质量恒星在其生命末期的超新星爆炸中。就像灯塔一样，脉冲星在旋转时会发出一束闪光。
“因为脉冲星自转如此稳定，我们看到像时钟一样滴答作响的小闪光，”威特说。“我们用地面射电望远镜观察那道光。如果时钟的滴答声来得稍微早了一点或晚了一点，这就是一个迹象，表明它可能受到了引力波的影响。”
NANOGrav追踪了遍布夜空的75颗脉冲星，其中45颗用于这项研究。它们的光束只需几毫秒就能闪过地球。因此，在这种情况下，“稍微早一点或稍微晚一点”可能意味着几分之一纳秒。因此，NANOGrav的技术必须非常敏感，才能捕捉到这些几乎察觉不到的变化。
通过观察整个天空，Witt和NANOGrav团队一起寻找所有脉冲星的特定模式。根据理论，超大质量黑洞双星应该发射引力波，这些引力波在到达地球的途中会拉伸和挤压(或扭曲)时空。扭曲的时空会影响脉冲星的光束，从而显示出一对难以捉摸的巨型黑洞。
红色噪音可以欺骗我们
但是，当然，脉冲星也会产生自己的噪声，这会使信号变得模糊不清。
“脉冲星确实有一些被称为‘红色噪声’的固有噪声，”威特说。“它们的内部可能会慢慢有点摇晃，除非你像我们一样近距离观察，否则你是看不到的。那个红色噪音看起来类似于我们正在寻找的广义引力波噪音。我们必须把这两者分开。”
去年，NANOGrav团队发表了一项研究，发现所有脉冲星都有一个红色噪声过程，具有相同的共同特征。然而，在没有更多证据的情况下，NANOGrav无法将此归因于引力波。在新的研究中，Witt和她的团队发现，为了明确地探测到来自单个超大质量黑洞双星的引力波，仍然必须仔细考虑这种红色噪声。
“当引力波变得可探测时，乍一看它非常类似于红色噪音，”威特说。“红色噪音可以欺骗我们。我们的新研究告诉我们，我们必须仔细观察，以避免混淆。当我们最终探测到引力波时，这将是非常重要的。”
虽然NANOGrav还没有探测到带有引力波的超大质量黑洞双星，但Witt的新论文使该领域比以往任何时候都更近。通过利用12.5年的数据集，研究人员创建了新的模型来精确地解释脉冲星数据中的不确定性，并实施新的技术来解释红色噪声。
确认候选人
这些新模型为超大质量黑洞对发出的引力波的强度提供了迄今为止最严格的限制。此前，其他研究人员用基于光的望远镜发现了潜在的超大质量黑洞双星。NANOGrav最终可以确认这些潜在的候选者确实是超大质量黑洞双星。
“用我们的新方法，我们可能能够更快地证实这一点，”威特说。“或者，如果我们继续收集和分析数据，那么我们也许能够排除它作为候选人。这可能只是银河系中发生的一些奇怪的事情。”
