宇宙早期的相變過程中，氣泡碰撞產生超低頻引力波的藝術想像圖。
一個多世紀前，愛因斯坦基於廣義相對論預言了引力波，如今，「聆聽」引力波已經成為人類觀測宇宙的重要方式。目前，天文學家距離觀測到「超低頻引力波」或許只有一步之遙，它或許能幫助我們揭開超大質量黑洞或早期宇宙的奧秘。
大規模、劇烈的天文事件可以產生引力波。自2015年9月首次探測到引力波以來，科學家持續監聽這些宇宙中的低沉「聲音」，但他們一直未能探測到超低頻引力波。主流理論認為，超低頻引力波是由超大質量天體相互碰撞、或大爆炸後不久的某些事件產生的。因此，超低頻引力波可以為我們揭示古老的黑洞或早期宇宙的奧秘。在近日發表於《自然·天文學》的一項研究中，來自伯明翰大學（University of Birmingham）的研究人員建議，我們可以結合不同的觀測方法探測超低頻引力波。
什麼是超低頻引力波？
天文學家主要依靠電磁輻射（也就是光）研究太空。但是光在傳播過程中會與外太空的物質（比如塵埃）相互作用，這導致我們的「視野」中，星空是模糊的。而引力波可以讓我們「聆聽」宇宙。引力波由大質量物質加速運動產生，以光速穿越宇宙，引發時空的漣漪。藉助激光干涉引力波天文台（LIGO）和室女座探測器（Virgo detector），科學家可以監聽引力波。。
但是目前為止，探測到的大部分引力波頻率高於毫赫茲級別，納赫茲級別的超低頻引力波則很難被探測到。前者由普通恆星或20～30倍太陽質量的較小黑洞產生，而後者可能由數百萬至數十億倍太陽質量的超大質量黑洞的合併引起，還可能來自大爆炸後不久發生的事件，遠早於星系形成。
弗蘭克·歐姆（Frank Ohme）是馬克斯·普朗克獨立引力物理研究組（Independent Max Planck Research Group）的負責人，他解釋說，引力波的振盪頻率取決於其產生的原因。「（不同頻率的）引力波的效果是一樣的；它會拉伸和擠壓空間和時間，」歐姆說，「低頻的信號要慢一些，所以物體擠壓和拉伸所需的時間比高頻信號長得多。」
如何探測超低頻引力波？
這篇論文的主要作者克里斯托弗·摩爾（Christopher Moore）是伯明翰大學引力波天文研究所（Institute for Gravitational Wave Astronomy）和物理與天文學院的研究員，他對引力波進行了多年研究。摩爾說：「我一直對引力波感興趣，但在大部分時間裏，超低頻引力波比高頻引力波受到的關注少得多，不過我認為這種情況開始改變了。」
探測超低頻引力波的主要方法是利用脈衝星。脈衝星是一種緻密的、高度磁化的恆星，它在旋轉的同時規律地發出無線電波脈衝，有「宇宙燈塔」之稱。超低頻引力波可能讓脈衝星發出的電波間隔時間產生微小的變化，科學家就利用這些變化來尋找這種引力波。摩爾說：「大自然慷慨地給予了我們快速旋轉的毫秒脈衝星，它們是天然的時鐘。毫秒脈衝星以極其穩定的方式旋轉，這使它們成為精確的計時儀器。如果引力波穿過地球，你也會看到時鐘加速或減速。」
雖然利用毫秒脈衝星可能會是探測超低頻引力波的主要方法，但這項新研究的作者認為，毫秒脈衝星的信號變化不足以反映引力波的來源。今年1月，北美納赫茲引力波天文台（NANOGrav）通過遙遠的脈衝星信號，探測到可能存在超低頻引力波的跡象，但這些跡象尚未得到證實。
因此，這項研究的研究者們建議，需要結合多種方法探究超低頻引力波的來源。「我們想通過這篇論文表達，除了脈衝星計時，我們需要尋找其他探測器、儀器、實驗……任何能檢測到引力波的方法，都可能有所幫助。」摩爾說。
作者的建議之一，是將脈衝星數據與歐洲航天局（the European Space Agency）蓋亞任務（Gaia mission）的觀測結果結合起來。作者還建議研究宇宙大爆炸的核合成模型（Big Bang nucleosynthesis），它是基於大爆炸後不久存在的原子種類建立的早期宇宙模型。「這兩種方法都還不能探測到引力波，但它們可以為引力波的頻率設定邊界。」摩爾說。儘管這篇論文沒有得出關於超低頻引力波的決定性答案，但它是在今後開展超低頻引力波研究的第一步。
為什麼要研究超低頻引力波？
自從研究人員首次發現引力波以來，這些穿越時空的漣漪為人類開啟了觀察宇宙的新領域。現在，科學家或許即將「解鎖」超低頻引力波，這是激動人心的時代，我們在「聆聽」宇宙之音。
歐姆說：「我們剛剛開始探索宇宙中的超大質量黑洞，我們尚不確定它們的質量和數量。因為它們很重，它們產生的引力波不僅頻率較低，而且其本身非常「響」。所以黑洞越重，它們產生的時空扭曲就越大，我們就可以看得更遠。」
但是，要想讓超低頻引力波提供有用的信息，科學家就必須知道它的來源。「這是關鍵。」摩爾說，「我們是在觀察離我們較近的黑洞發出的信號，還是在目睹與大爆炸的時間更接近的、更古老的宇宙進程？」摩爾預測，科學家將在不遠的將來探測到超低頻引力波。這可能有助於我們進一步理解宇宙或超大質量黑洞的形成。「這是研究天文學的全新方式，非常令人興奮。」摩爾說。
