科技日报记者 张盖伦
宇宙诞生仅几亿年后，就已出现质量达百亿倍太阳质量的超大质量黑洞，这类黑洞如何成长一直是天文学界的难解之谜。近日，北京师范大学朱兴江教授团队与帕克斯脉冲星计时阵（PPTA）合作组利用纳赫兹引力波，将观测视野延伸至遥远的“宇宙黎明”时期，在超大质量双黑洞探测方面取得重要进展，相关成果于北京时间11月2日发表在《物理评论快报》上。
近年来，詹姆斯・韦布空间望远镜（JWST）在宇宙黎明时期多次发现巨型星系和超大质量黑洞。令人困惑的是，宇宙年龄尚小，这些黑洞为何能在短时间内“长”到如此之重？为解开这一谜团，科学家迫切需要能够“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中低沉的“超低音”，频率约为十亿分之一赫兹。
黑洞本身无法被直接看到，但一对超大质量双黑洞相互绕转时会持续向外辐射引力波，犹如石子投入湖面激起涟漪。银河系中高速自转的脉冲星如同散布各处的“宇宙灯塔”，其发射的射电束随自转扫过地球，使人类接收到节律稳定的脉冲信号。引力波经过时会轻微扭曲时空，导致脉冲到达地球的时间产生微小偏移。天文学家长期监测多颗脉冲星，构建脉冲星计时阵，以捕捉这种微弱信号。
此次，北师大科研团队建立了一套新的分析框架，将宇宙膨胀引起的红移效应纳入计算，对PPTA长达18年的观测数据进行了深入分析。这也是全球首次利用真实观测数据，对宇宙黎明时期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天体：一个红移为6.327的超亮类星体，以及一个红移为14.32、诞生于宇宙极早期的星系。分析表明，现有观测数据已能对百亿倍太阳质量级别的遥远双黑洞进行有效探测限制。
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减弱。遥远双黑洞发出的引力波在传向地球的过程中被宇宙膨胀“降调”，恰好进入脉冲星计时阵最灵敏的纳赫兹频段。这一效应使纳赫兹引力波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范围从近邻宇宙拓展到宇宙黎明时期。未来，这项技术可与其他设备协同，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）
来源：科技日报科学研究；原文日期：2026-11-02。内容经中文改写，请以原文为准。
