《自然天文学》近日发表的一项研究提出，围绕超大质量黑洞双星的恒星与暗物质等致密环境，可能在秒差距尺度上达到每立方秒差距约(10^6)个太阳质量的物质密度。研究团队表示，他们利用脉冲星计时阵列（PTA）对纳赫兹频段引力波的观测数据，尝试探测传统电磁手段难以直接刻画的银河系中心区域结构。
脉冲星计时阵列通过长期监测毫秒脉冲星脉冲到达时间的细微偏差，来捕捉低频引力波对时空造成的拉伸与压缩效应。相关观测显示，宇宙中大量超大质量黑洞双星在漫长螺旋内缩过程中产生的引力波会叠加成随机引力波背景信号。
研究指出，该引力波背景在最低频段出现了与“仅由引力波辐射驱动的双星演化”预期不一致的频谱转折。论文认为，这一转折可能意味着双星在早期演化阶段仍受到周围环境作用，或与较高的轨道偏心率有关，从而改变了能量损失与轨道收缩的方式。
据Phys.org对论文第一作者、上海交通大学副教授陈一凡的采访，研究动机来自多个PTA合作发布纳赫兹引力波背景测量结果后出现的一个问题：能否利用这些数据反推银河系中心的环境性质。
为解释低频转折，团队重点考察了引力三体“弹弓效应”。在该机制下，围绕黑洞双星的恒星或暗物质粒子在反复引力相互作用中被加速并弹射出系统，从双星轨道中带走能量。研究认为，相比常见的两体动力摩擦，这种多次散射的三体过程可更高效地抽取轨道能量，并在引力波频谱中留下与环境密度相关的低频特征。
研究团队将模型与NANOGrav 15年数据集进行对比后，给出了对银河系中心秒差距尺度密度的约束：结果偏好每立方秒差距约(10^6)个太阳质量的密度，并倾向于较为平坦的“核状”密度分布，而非陡峭集中分布。论文同时称，这一密度范围与电磁观测对两个最接近且可深入研究的星系中心——银河系与邻近星系M87——的认识大体一致。
研究还指出，数据不支持陡峭的暗物质“尖峰”情形，即黑洞在既有暗物质晕中生长所形成的高度浓缩结构。与此同时，分析显示初始轨道偏心率与环境密度在引力波信号中存在一定简并：偏心率可在一定程度上模拟致密环境带来的低频特征，但若仅用偏心率解释观测到的低频转折，则需要极高的初始偏心率。
论文认为，环境效应的引入也与“最终秒差距问题”相关，即仅靠引力波辐射可能不足以在合理时间内推动超大质量黑洞双星跨越最后的秒差距并完成合并。研究提出，黑洞双星通过高效弹射周围恒星等物质的过程，可能在加速并合的同时，逐步削平中心区域的致密物质分布。
在后续工作方面，研究团队强调需要更高灵敏度的数据来确认并更精确测量引力波背景中的低频特征。陈一凡在采访中提到，随着脉冲星计时阵列观测时间延长，以及中国FAST射电望远镜在长期观测后带来的数据贡献，相关测量有望进一步改进。论文还提及，未来设施如平方公里阵列以及下一代天体测量任务，可能帮助提升频谱测量精度，从而缓解偏心率与密度之间的简并，并与对单个双星的电磁观测形成互补。
