從上海交通大學李政道研究所獲悉，該研究所青年學者陳一帆研究團隊利用脈沖星計時陣列，通過長期、精密地監測銀河系內毫秒脈沖星信號的到達時間變化，探測到頻率低至納赫茲（十億分之一赫茲）的引力波，並從引力波觀測數據中直接提取出星系中心物質分布的關鍵信息，相關研究成果近日發表於《自然·天文學》。

陳一帆介紹，納赫茲頻段的引力波主要產生於超大質量黑洞雙星在緩慢繞轉並逐漸靠近的過程中，是研究宇宙中最巨大黑洞系統的重要窗口。最新的脈沖星計時陣列能譜數據顯示，引力波背景整體上與超大質量黑洞雙星的理論預期一致，但在最低頻段呈現出輕微偏離傳統模型的趨勢。這一特征提示，黑洞雙星的軌道演化可能並非僅由引力波輻射主導，而是受到其周圍環境的影響。

該研究系統分析了黑洞雙星周圍恆星與暗物質環境對軌道演化的作用機制。在星系中心區域，恆星或暗物質粒子可以通過與黑洞雙星發生引力彈射而被拋射出去，從而有效帶走雙星的軌道能量，並逐步改變星系中心的物質分布結構。這一過程不僅會加速黑洞並合，也會在引力波背景的頻譜形狀中留下可觀測的痕跡。

研究團隊將這一環境效應與黑洞雙星軌道偏心率的演化同時納入統一模型，並將理論預測與北美納赫茲引力波天文台合作組15年的觀測數據進行對比分析。結果表明，引力波數據已經能夠對星系中心的物質密度給出有意義的限制，其推斷得到的密度范圍，與銀河系以及鄰近星系M87星系中心區域已知的恆星分布情況相符。研究還表明，星系中心環境對黑洞演化的影響，有時會與黑洞雙星具有較大偏心率的橢圓軌道產生相似的觀測效果，從而使兩種因素在引力波信號中不容易被直接區分。為此，研究團隊系統測試了多種模型假設，發現無論採用何種合理的參數化方式，推斷得到的物質密度尺度都保持穩定，從而增強了結論的可靠性。

陳一帆表示，盡管當前的不確定性仍然較大，但該研究已經表明，引力波觀測開始攜帶關於星系中心環境的可測信息。同時，該工作展示了引力波天文學的一項新潛力，即利用引力波“探測”星系中心的物質環境。隨著脈沖星計時陣列觀測時間的進一步延長，以及中國天眼（FAST）等新一代射電望遠鏡的加入，未來的引力波數據有望顯著提高靈敏度，更精確地區分不同環境效應。這不僅將深化對星系中心動力學的理解，也有望為暗物質的性質提供新的線索，例如其是否具有粒子性或波動性，以及是否存在自相互作用等。（記者張曉華）