科技日报记者 张盖伦
宇宙诞生仅仅几亿年，就已经诞生了重达百亿倍太阳质量的超大质量黑洞，这种黑洞的成长史一直是天文学界的一大谜题。近日，北京师范大学朱兴江教授团队联合帕克斯脉冲星计时阵（PPTA）合作组，借助纳赫兹引力波，把观测目光投向遥远的“宇宙黎明”时期，在超大质量双黑洞探测研究上取得重大进展，相关成果于北京时间11月2日刊发于《物理评论快报》。
近些年，詹姆斯・韦布空间望远镜（JWST）频频在宇宙黎明时期发现巨型星系和超大质量黑洞。令人费解的是，宇宙年纪尚轻，这些黑洞怎么在短时间就“长”到那么重？要解开谜团，科学家急需能“看见”遥远黑洞的新信号——纳赫兹引力波。纳赫兹引力波是宇宙深沉的“超低音”，频率约十亿分之一赫兹。
黑洞无法被直接看见，但一对超大质量双黑洞互相绕转时，会持续向外辐射引力波，如同石子投入湖面荡开涟漪。银河系中高速自转的脉冲星是散布各处的“宇宙灯塔”。它们发射的射电束随自转扫过地球，使我们接收到节律恒定的脉冲信号。引力波经过会轻微扭曲时空，令脉冲抵达地球的时间发生微小偏移。天文学家长期监测多颗脉冲星，搭建起脉冲星计时阵，捕捉这种微弱信号。
此次，北师大科研团队搭建一套全新分析框架，把宇宙膨胀带来的红移效应纳入计算，对PPTA长达18年的观测数据开展深度挖掘。这也是全球首次使用真实观测数据，对宇宙黎明时代的超大质量双黑洞给出直接观测限制。
团队重点研究了两个具有代表性的宇宙早期居民，一红移为6.327的超亮类星体和一红移为14.32的诞生于宇宙极早期的星系。分析证实，现有观测数据，已经可以对百亿倍太阳质量级别的遥远双黑洞开展有效探测限制。
朱兴江介绍，研究在实际观测中验证了理论预言的“红移偏置”效应：受宇宙膨胀与双黑洞自身演化的共同影响，脉冲星计时阵的探测能力并不会随天体距离增加而简单衰减。遥远双黑洞发出的引力波，在奔向地球途中被宇宙膨胀“降调”，恰好落入脉冲星计时阵最灵敏的纳赫兹频段。这一效应使得纳赫兹引力波可以成为探测极遥远早期宇宙的独特工具。
进一步的模拟研究表明，利用少量具有高精度距离测量的脉冲星恢复引力波相位相干性，可将高红移双黑洞信号的定位精度提升近30倍。
朱兴江表示，该研究将脉冲星计时阵对单个超大质量双黑洞的研究从近邻宇宙拓展至宇宙黎明时期。未来，这项技术可以和其他设备联手，帮助人类厘清早期超大质量黑洞的成长史，为理解宇宙早期结构形成与演化开辟新窗口。
（图片由受访者提供）
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