近日，北京师范大学文理学院和天文与天体物理前沿科学研究所教授朱兴江团队联合帕克斯脉冲星计时阵（PPTA）合作组，在利用脉冲星计时阵探测宇宙早期超大质量双黑洞研究中取得重要进展。11月2日，相关研究成果以“Nanohertz Gravitational-Wave Constraints on Su-permassive Binary Black Holes at Cosmic Dawn”为题发表于国际物理学期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters），入选编辑推荐（Editors’ Suggestion）论文并被美国物理学会官网作为亮点报道。

近年来，詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）等观测设备不断在早期宇宙中发现大质量星系和超大质量黑洞，这些发现对现有天体物理理论提出了严峻挑战：黑洞如何在宇宙诞生后的短短几亿年内形成并迅速增长至最高达百亿倍太阳质量？回答这一问题，亟需探寻来自宇宙黎明时期的全新观测信号。

利用脉冲星计时阵探测宇宙黎明时期双黑洞辐射的引力波的艺术想象图（图源：OzGrav / Swinburne / Carl Knox）

针对这一重大科学问题，研究团队建立了考虑宇宙学红移效应的脉冲星计时阵连续引力波分析框架，并将其应用于观测跨度约18年的帕克斯脉冲星计时阵（PPTA）第三次数据发布（PPTA DR3）。这是国际上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。

研究团队重点考察了两个具有代表性的高红移天体：红移为6.327的超亮类星体J0100+2802，以及JWST发现的红移14.32的星系JADES-GS-z14-0。分析结果表明，现有PPTA数据已能够在纳赫兹频段对质量超过约百亿倍太阳质量的高红移双黑洞系统进行有效限制。尤为重要的是，该研究首次在实际观测中展示了理论预言的“红移偏置”效应：由于宇宙学红移与双黑洞演化的共同作用，脉冲星计时阵对双黑洞的探测能力并不会随距离增加而简单下降。这一效应使得纳赫兹引力波成为探测极遥远早期宇宙的独特工具，为打开宇宙黎明的观测窗口提供了新的可能。进一步模拟研究表明，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。

研究成果表明利用少数高精度距离测量的脉冲星，可以实现高红移双黑洞天空定位精度大幅提升。

北京师范大学珠海校区博士研究生陈怡琴、赵诗艺为论文共同第一作者，朱兴江为通讯作者。该研究将脉冲星计时阵对单个超大质量双黑洞的研究从近邻宇宙拓展至宇宙黎明时期，为未来结合JWST、平方公里阵（SKA）等多波段观测设施研究早期超大质量黑洞的形成、增长与并合历史提供了全新的引力波观测途径，也为理解宇宙早期结构形成与演化开辟了新窗口。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/5z5g-shly