整個時空都因引力波而盪漾
這張地圖顯示了銀河系內 68 毫秒脈衝星相對於我們脈衝星的相對位置。有些距離我們約 10,000 光年，但許多距離更近，測量脈衝星對之間脈衝星時間的差異（相對於它們之間的角度）是提取穿過我們星系的引力波信號的方法。
宇宙各處的行星、恆星、恆星殘骸和其他大質量物體都被鎖定在複雜但本質上不穩定的引力舞蹈中。每個質量都會在其各自附近彎曲時空結構，而其他每個質量都會沿着由該彎曲時空確定的路徑移動。但這種簡單的行爲——一個質量穿過被另一個質量彎曲的空間——本質上是不穩定的，因爲穿過引力場的引力質量會發生輻射反應，要求它們發射引力輻射或引力波。
自廣義相對論提出以來的 100 年裡，這些引力波一直未被檢測到，直到 LIGO 科學合作在低質量黑洞（幾百個太陽質量或以下）中在其吸入和合並的最後階段檢測到了它們。自 2015 年第一次探測以來，大約還探測到了 100 個其他引力波信號，但都處於吸氣和合並的同一末期。
科學家首次以完全不同的方式觀察到一類新的引力波信號：科學家監測宇宙中最精確的自然時鐘——毫秒脈衝星的計時。在一系列精彩的論文中，NANOGrav 合作提供了強有力的、令人信服的證據，證明在比 LIGO 能夠看到的時間長約 100 億倍的時間尺度上存在可探測的引力波背景。它標誌着首次直接探測到這種宇宙引力波背景，接下來的步驟將更加令人興奮。
該圖顯示了地球本身嵌入時空中，如何看到來自各種脈衝星的到達信號被傳播到整個宇宙的宇宙引力波背景延遲和扭曲。這些波的綜合效應改變了每個脈衝星的時間，對這些脈衝星進行長時間尺度、足夠靈敏的監測可以揭示這些引力信號。
首先，看到這些引力波是多麼巨大的成功。廣義相對論的一項引人注目的預測是，與牛頓的引力不同，引力束縛的系統不會永遠穩定。根據牛頓定律，如果你把宇宙中的任何兩個質量放在彼此圍繞的軌道上，它們都會形成一個閉合橢圓的形狀，在每個軌道上一遍又一遍地返回到同一點，並且該軌道永遠不會衰減，但是保持永恆穩定。
在廣義相對論中並非如此。根據愛因斯坦的引力理論，任何兩個質量都不能永遠相互繞轉，因爲時空彎曲的方式絕對不允許這種情況發生。隨着時間的推移，這些質量將以引力波的形式輻射出能量，隨着軌道的衰減，它們逐漸相互吸引。最終，如果等待足夠長的時間，就會損失足夠的能量，這些質量將：
靠得更近，
進入更緊密的軌道，
他們移動得更快，
發射更高頻率（更短週期）和更大振幅的引力波，
等等等等，
直到它們最終融合在一起。
在愛因斯坦的宇宙中，就我們所能測量的而言，這是對我們宇宙的最好描述，每個系統都以這種方式不穩定。即使太陽和地球像現在一樣永遠存在，大約 1026 年之後，地球也會旋轉並融入太陽。
兩個黑洞吸入和合並所發出的引力波的數值模擬。每個黑洞周圍的彩色輪廓代表引力輻射的幅度；藍線代表黑洞的軌道，綠色箭頭代表它們的自旋。通過彎曲時空區域加速一個質量的行爲總是會導致引力波的發射，即使對於地球-太陽系統也是如此。
有跡象表明，這種類型的軌道衰變以及必然相關的引力波發射甚至在我們直接測量第一個引力波之前就發生了。這個暗示來自一種被稱爲毫秒脈衝星的物體：宇宙中最精確的自然時鐘。脈衝星是一顆中子星，具有極其強大的磁場：中子星表面的磁場強度是我們星球表面磁場強度的數十億到四萬億倍。脈衝星具有旋轉軸和偏移磁軸，因此每次旋轉時，它們都會向每個恰好與其磁軸指向的物體“發射”短暫的光點。
並非每顆中子星都是脈衝星，但我們還不知道這是因爲並非每顆中子星都會發出脈衝，還是僅僅因爲大多數中子星在旋轉時其磁軸沒有“指向我們”。但在觀測到的脈衝星中，大多數都是年輕的和/或旋轉緩慢的。但隨着年齡的增長，它們會加速旋轉，因此有一羣非常古老的脈衝星，其旋轉週期爲 1-10 毫秒，每秒脈衝 100 次或更多。這些毫秒脈衝星是宇宙中最精確的自然時鐘，可以在幾十年的時間內將時間保持在約 1 微秒以內。
在 20 世紀下半葉，我們發現了第一個雙脈衝星系統：其中一顆脈衝星繞着另一個恆星質量天體運行。你瞧，根據其脈衝定時，觀察到它的軌道正在衰變，這與廣義相對論的預測完全一致。
由於（引力勢）能量隨着軌道的衰變而消失，一定有什麼東西把能量帶走了，而引力波確實是唯一的選擇。這是建造 LIGO 和 Virgo 等地面引力波探測器的主要動機之一，以直接探測這些螺旋和合並的最後階段。從 2015 年第一次真正的探測發生到現在，這是唯一成功地、直接觀測到這些引力波的方法。
三套不同的引力波方法：地基激光干涉儀、天基激光干涉儀和脈衝星計時陣列，都對不同類別的引力波信號敏感。雖然 LIGO 是第一個在極高頻率下探測引力波的合作，但 NANOGrav 合作在極低（納赫茲）頻率下看到了強有力的證據。
今天，2023 年 8 月 05 日（或世界某些地區的 8 月 06日），是一切都改變的日子。
宇宙中所有繞軌道運行的物體都會發射引力波，緊密的軌道會產生高頻（短週期）引力波，較寬的軌道會產生低頻（長週期）引力波。LIGO 使用的激光臂長達幾公里，對週期爲幾分之一秒的引力波敏感，而其他引力波探測器團隊則使用來自銀河系對面的已知毫秒脈衝星，這些脈衝星之間的間隔爲數千光年。通過一起觀察它們並觀察脈衝星對之間的時間差異，他們可以測量數年甚至十年週期的引力波。經過 15 年的艱辛努力，NANOGrav 合作組織終於從足夠多的毫秒脈衝星中收集了足夠的數據，最終得出結論：
NANOGrav 合作組織提取的引力波信號，如綠色等值線（1-sigma 和 2-sigma）所示，以及預測信號（如果該宇宙背景 100% 來自雙超大質量黑洞）。這解釋了觀察到的信號的性質的證據還不夠，但也不是非常不一致。
我們大多數人在描繪空間時，很可能會像牛頓那樣：將空間描繪成某種類型的三維網格。當愛因斯坦的廣義相對論出現時，他的理論顯示了牛頓圖景的三個缺陷，儘管最初只有前兩個缺陷被普遍認識到。
將空間視爲一個三維繫統，在其頂部放置一組座標，這很好，但座標的選擇是任意的，並且每個觀察者在我們的四維時空中的獨特位置上都會有不同的看法。以獨特的動作穿過那個空間。不存在比任何其他座標集更好或更差的“絕對”座標；它們都與每個特定的觀察者相關，包括它們的位置和移動方式。
空間本身的結構不是平面的、網格狀的、笛卡爾式的，而這正是牛頓對空間的構想。相反，該空間是彎曲的，並且可以“流入”或“流出”宇宙的區域，具體取決於宇宙的該部分是膨脹還是收縮。正如 20 世紀廣義相對論最偉大的思想家之一約翰·惠勒 (John Wheeler) 所說，“時空告訴物質[和能量]如何運動，而物質[和能量]反過來又告訴時空如何彎曲。”
疊加在彎曲時空之上的，對於每個觀察者來說都有獨特的結構，是所有以光速在時空傳播的引力波：來自各個方向。處於時空中的某個點就像處於不穩定的海洋之上，因爲您會同時感受到所有海洋源產生的所有波浪的累積效應。只不過，在時空中，是宇宙海洋產生了這些波，以及我們可見宇宙中所有形式的物質和能量。
在所有頻率下，我們的宇宙都會發出由所有引力波組合在一起產生的“嗡嗡聲”。有時，在吸氣或合併的最後階段，一種特殊的引力波聲音——來自由兩個質量組成的一個雙星系統——在背景合唱中脫穎而出，以不斷上升的音調喊叫，最終形成刺耳的“嘰嘰喳喳”聲，這是LIGO 等地基引力波天文臺正在測量恆星質量黑洞和中子星，而天基 LISA（激光干涉儀太空天線）將觀測吞噬其他足夠大質量的超大質量黑洞。
但這種“背景嗡嗡聲”存在於所有頻率，而且重要的是，它是由宇宙中相互繞轉的所有質量產生的。這適用於：
行星繞恆星運行，
屬於多星系統成員的恆星，
恆星遺蹟及其系統，
恆星和恆星殘骸在星系內移動，
合併在一起的星系，
以及超大質量黑洞以及圍繞它們運行的所有物體。
基於我們對宇宙的最佳現代理解，我們可以建模並計算所有頻率下引力波背景的預期震級。如果我們達到適當的靈敏度水平，在任何這樣的頻率下，我們將能夠檢測到這種背景的存在。如果我們能變得比這更敏感，我們應該能夠梳理出造成這種背景的信號的性質，確定是什麼真正創造了這些滲透到我們宇宙的引力波。
這些是 15 年 NANOGrav 數據中包含的 68 毫秒脈衝星，根據觀測到的頻率、觀測到它們的天文臺以及觀測的持續時間進行顏色編碼。隨着更多的天文臺觀測到更多的脈衝星，數據對任何背景引力波信號變得更加敏感。
這是 NANOGrav 合作組織宣佈的重大消息，該合作組織綜合了在整個北美觀測到的數十個毫秒脈衝星的脈衝星計時數據。（還有其他脈衝星計時陣列，包括歐洲的 EPTA、印度的 InPTA、中國的 CPTA、澳大利亞的 Parkes 脈衝星計時陣列，以及尋求綜合所有這些的國際努力：IPTA。）在過去的 15 年裡，NANOGrav 已經：
增加了他們觀測到的脈衝星數量，從最初的 14 顆增加到今天的 68 顆，展望未來將有超過 80 顆，
增加了觀測這些脈衝星的望遠鏡和望遠鏡陣列的數量（最近倒塌的阿雷西博天文臺除外），
增加了可以觀測到每個脈衝星的頻段類型（範圍從低 327 MHz 到高 3.0 GHz），
增加了觀測到這些脈衝星的基線時間（剛剛發佈了他們的 15 年數據集），
並且，由於所有這些，提高了數據的信噪比，以努力發現這種背景嗡嗡聲。
終於，他們第一次到達了那裡。他們擁有足夠的高質量數據，可以看到這種背景嗡嗡聲存在的良好證據，（根據理論）預計這種背景嗡嗡聲將在這些頻率下出現，主要來自合併後星系中心發現的超大質量黑洞對。
當兩個黑洞合併時，它們的很大一部分質量可以在很短的時間間隔內轉化爲能量。但在更長的時間內，有一個早期階段，這些黑洞以 1-10 年的週期運行，脈衝星定時可能對這些系統在整個宇宙中的累積效應敏感。
他們這樣做的方法不是單獨查看這些脈衝星中任何一個的絕對定時測量，而是將所有脈衝星對的定時數據關聯起來（即查看任意兩個脈衝星之間看到的定時變化的所有可能組合）脈衝星，一起）並觀察它們的信號如何變化：同相或異相，正相關或負相關，頻率相關或頻率無關等。
不同的信號應該產生不同類型的相關性，因此 NANOGrav 合作測試了他們所看到的內容，根據不同的預測集，根據數據，它看起來“不僅僅是噪聲”。
他們沒有看到任何證據表明這些引力波是在早期宇宙開始時由暴脹產生的，這很好，因爲如果這些引力波發出的信號如此之大以至於它們出現在這些敏感度處，它將挑戰我們認爲我們所知道的關於宇宙的起源。
他們沒有看到任何奇異物理的證據：奇異的相變、原始黑洞或其中的宇宙學缺陷。
他們也沒有看到鳴叫的證據，如果我們有超大質量（也許對於傳統物理學來說太大而無法解釋）黑洞雙星合併在一起，就會出現鳴叫。
但是，儘管還沒有足夠的信號來確定這些引力波是什麼，我們還是看到了一些東西，而且看起來這個東西與信號理論學家的預期最一致：雙超大質量黑洞。
如果證據表明引力波背景“嗡嗡聲”是由雙超大質量黑洞引起的，那麼信號和脈衝星在天空中出現的角度之間應該存在相關性。支持這一點的證據非常好，但不是 100% 確定。
數據將超大質量黑洞雙星作爲最可能的解釋的原因很簡單：由於星系的聚集方式，我們預計會看到來自不同方向的不同信號。因此，如果任何兩個脈衝星之間的相關性與相對於我們位置的角度之間存在關係，那麼這兩個脈衝星在天空中，這將是對數據的超大質量黑洞解釋的暗示性證據。這些證據是存在的，但還沒有達到足以宣稱“發現”的程度。
這意味着我們必須考慮令人不快的事情：這個信號仍然有可能只是僥倖。它尚未達到物理學和天體物理學發現的“黃金標準”：5-sigma 顯着性閾值；大約只有 4-sigma 左右。NANOGrav 的信號有大約萬分之一的可能性是統計異常，並且還有其他一些非引力波產生的僞影導致了這種情況的出現。但 NANOGrav 並不是唯一一個有啓發性的合作項目。
中國脈衝星計時陣列（CPTA）已宣佈探測到這種引力波背景，其顯着性爲 4.6 西格瑪，但其主要限制是只有 3 年的數據。
印度脈衝星定時陣列 (InPTA) 發現了與宇宙引力波背景“嗡嗡聲”一致的東西，但只有 3 西格瑪顯着性。
澳大利亞的帕克斯脈衝星計時陣列既無法證實也無法反駁這種信號的存在，因爲他們只能看到微弱的（2-sigma）證據證明其存在。
但國際脈衝星計時陣列希望在未來 1-2 年內綜合所有這些不同合作的所有觀測結果。當他們這樣做時，我們可能會利用現有的數據達到所吹噓的 5-sigma 發現閾值。
隨着精確觀測到的毫秒脈衝星數量和每個脈衝星觀測時間的增加，NANOGrav 合作觀測到的信噪比也隨之增加。隨着這些數字的不斷提高，我們很快就會突破重要性的“黃金標準”，從而能夠描述宇宙背景“嗡嗡聲”的本質。
然而，不要讓這些阻止您認識到這一時刻對科學史的重要性。
我們探測到了宇宙引力波背景的存在！儘管我們尚未描述其本質，但僅僅看到“它就在那裡”就已經是一項令人驚歎的成就。
我們正在努力表徵它，如果可以的話，我們將擁有繼 LIGO/Virgo 地面激光干涉儀方法之後的第二種直接探測引力波的方法。
只需通過更好地測量脈衝星，即擁有更多數量的脈衝星監測盤和這些脈衝星的全球覆蓋範圍，我們就能實現這些目標。
但這一成就也爲做更多事情提供了非常有力的科學理由：自己建造更大、更靈敏的射電望遠鏡。隨着阿雷西博的坍塌和甚大陣列的時代，建造 ngVLA 的科學案例已經變得勢不可擋：下一代甚大陣列。它被美國國家科學院在 2020 年十年調查中命名爲射電天文學的首要任務，按照設計建造它將爲引力波物理髮現開闢一個新時代。
所有時空確實都因存在的所有引力波的綜合效應而產生漣漪。這是我們第一次確信我們已經看到了它，而且我們即將真正準確地瞭解它的來源。