哈勃太空望远镜拍摄到的名为NGC 2623的天体图像，该天体由两个处于合并最后阶段的星系组成。图片来源：欧洲航天局/哈勃 & 美国国家航空航天局
科罗拉多大学博尔德分校的科学家们可能已经解开了一个关于宇宙重力波背景的不容忽视的谜团。
科罗拉多大学博尔德分校的天体物理学家Julie Comerford 表示，这就是空间和时间中不断在宇宙中移动的涟漪的名称，它们“像果冻一样晃动着我们”。
这项发表在《天体物理学杂志》上的研究揭示了宇宙演化的新见解，既较小的星系如何在数十亿年的时间里合并形成像银河系这样更大、更复杂的星系。
Comerford解释说，在宇宙中的任何时刻，都有无数星系正处于合并过程中。
每个星系的中心都有一个恰其名的超大质量黑洞。当星系合并时，这些黑洞会相互旋转，在空间中形成旋涡，直到它们最终相撞。由此产生的碰撞会在空间和时间中产生微妙的波动，但人类却无法感知到这些波动。
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“你可以想象在一个游泳池里有许多人，”该新研究的主要作者、科罗拉多大学博尔德分校天体物理与行星科学系的教授Comerford说，“他们都在制造自己的波浪，而这些波浪会相互重叠。这就是重力波背景的样子。”
2023年，包括北美纳赫兹重力波天文台（NANOGrav）实验在内的多项国际合作项目报告称，他们首次探测到了重力波背景。
只有一个问题：根据这些小组的测量结果，这些波浪的规模远超科学家们的估计。没人知道原因何在。
在这项新研究中，Comerford和该研究的合著者、科罗拉多大学博尔德分校前博士后研究员Joseph Simon可能已经找到了答案。
通过观测真实的星系和进行计算机模拟，该团队发现了一个此前研究人员未曾考虑到的现象：当较小的超大质量黑洞与较大的黑洞合并时，较小的黑洞似乎会获得大量质量。
额外的质量会产生影响。就像游泳者在游泳池中翻跟斗一样，更大的超大质量黑洞会产生更大的重力波。
Comerford说：“我们对重力波背景应该是什么有预测，而NANOGrav的发现比预期的要大。”“这既是一个惊喜，也是一个有趣的新谜题，有待我们去解开。”
生长突增
超大质量黑洞，就像星系本身一样，大小各异。其中一些天体体积庞大，质量相当于数十亿个太阳。另一些虽然体积也很大，但质量略小，钢绞线比太阳大数百万倍。
Comerford说，多年来，许多研究重力波背景的科学家并不认为那些较小的黑洞有什么重要性。他们认为，这些黑洞太小，对重力波背景的贡献微乎其微。
天津市瑞通预应力钢绞线有限公司Comerford和Simon对此并不确定。
在某种程度上，这是因为星系合并可能是一件混乱的事情。当两个星系合并时，来自这些星系的气体会开始向它们中心的超大质量黑洞汇聚。这些气体在黑洞外部形成了一个环状云团，并相互环绕。其中一些气体回落到黑洞中，使黑洞在次过程中变得更大。
但之前的模拟结果却揭示了一个令人惊讶的现象：合并中的一对黑洞可能并不会以相同的速度增长。
“质量更大的黑洞位于环状星云中心附近，那里气体较少，”Comerford说，“而质量较小的黑洞则位于更远的位置，因此更靠近气体所在之处。”
这种生长速度的差异，或科学家们所称的“优先生长”，可能会产生很大影响。
在当前的研究中，Comerford设计了一套详细的方程组，用以描述星系合并的物理过程。研究小组随后对这些方程进行了调整，使较小的黑洞比较大的黑洞增长快10%。
这一小小的调整就足以使重力波背景的估计值与NANOGrav实验的测量值相一致。
Comerford说，“他们一开始可能不起眼，但因为小个子往往成长得最快，所以不应该被轻视。”
她指出，这项研究并未完全解开这个谜团：她的团队已经开始了一项新的工作，即观察真实星系在合并过程中的行为，以验证其物理机制是否与模拟结果相符。
她说，这项工作是了解宇宙一些最基本问题这一更大努力的一部分。这些问题包括宇宙初期的“原初”星系（当时很小，主要由气体构成）是如何形成如今存在的巨大黑洞的。
Comerford说：“我的职业生涯都在研究超大质量黑洞，但我们甚至不知道他们是如何形成的”。
BY：phys-by Daniel Strain
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