上海交通大學李政道研究所科研團隊在引力波研究領域取得重要進展。該團隊青年學者陳一帆帶領的研究小組，通過脈沖星計時陣列技術，對銀河系內毫秒脈沖星信號的到達時間進行長期精密監(jiān)測，成功探測到納赫茲頻段的引力波信號，并從觀測數(shù)據(jù)中直接獲取了星系中心物質分布的關鍵信息。相關研究成果已發(fā)表于國際權威期刊《自然·天文學》。

納赫茲頻段的引力波主要源于超大質量黑洞雙星系統(tǒng)的演化過程。當兩個超大質量黑洞緩慢繞轉并逐漸靠近時，會產(chǎn)生這種低頻引力波。研究團隊通過分析脈沖星計時陣列的能譜數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，引力波背景的整體特征與超大質量黑洞雙星的理論預期相符，但在最低頻段出現(xiàn)了與傳統(tǒng)模型輕微偏離的現(xiàn)象。這一異常現(xiàn)象表明，黑洞雙星的軌道演化可能受到周圍環(huán)境因素的顯著影響。

科研人員深入研究了黑洞雙星周圍恒星和暗物質環(huán)境對其軌道演化的作用機制。在星系中心區(qū)域，恒星或暗物質粒子與黑洞雙星發(fā)生引力相互作用時，部分粒子會被拋射出去，這一過程會帶走雙星的軌道能量，進而改變星系中心的物質分布結構。這種能量轉移不僅會加速黑洞的并合進程，還會在引力波背景的頻譜特征中留下可觀測的印記。

研究團隊構建了包含環(huán)境效應和黑洞軌道偏心率演化的統(tǒng)一模型，并將理論預測與北美納赫茲引力波天文臺合作組15年的觀測數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)對比。分析結果顯示，引力波數(shù)據(jù)能夠為星系中心物質密度提供有意義的約束，其推斷的物質密度范圍與銀河系及鄰近星系M87中心區(qū)域的恒星分布觀測結果一致。研究還發(fā)現(xiàn)，星系中心環(huán)境對黑洞演化的影響與黑洞雙星具有較大偏心率的橢圓軌道會產(chǎn)生相似的觀測效應，這增加了直接區(qū)分兩種因素的難度。

為確保結論的可靠性，研究團隊對多種模型假設進行了系統(tǒng)性測試。結果顯示，無論采用何種合理的參數(shù)化方法，推斷得到的物質密度尺度都保持穩(wěn)定。這表明當前研究已經(jīng)證實引力波觀測能夠攜帶關于星系中心環(huán)境的可測量信息，展示了引力波天文學在探測星系物質分布方面的新潛力。隨著脈沖星計時陣列觀測時間的延長，以及中國天眼等新一代射電望遠鏡的加入，未來引力波數(shù)據(jù)的靈敏度將顯著提升，有望更精確地分辨不同環(huán)境效應的影響。