近日，一個國際研究團隊在《天體物理學快報》上發表論文，宣布找到一個疑似低頻引力波的信號。如果被證實，這將是引力波天文學的又一大裡程碑：一扇觀測宇宙的低頻引力波窗口將向人類開放。
引力波，和電磁波一樣，也分不同的波段。此前，近年來頻繁登上科學新聞頭條的「雷射幹涉儀引力波天文臺（LIGO）」發現的是高頻引力波，頻率大約在幾十至上千赫茲。此次，北美納赫茲引力波天文臺（NANOGrav）在分析了45顆脈衝星的觀測數據後，發現一個有趣的低頻信號。這個信號可能就是天文學家過去十年一直苦苦追尋的納赫茲引力波，其頻率比LIGO發現的引力波相差了11個數量級！
根據愛因斯坦的廣義相對論，大質量的天體加速運動將產生引力波，這是一種以光速傳播的時空「漣漪」。最典型的引力波源是兩個天體相互繞轉，因輻射引力波帶走了軌道能量，逐漸靠近而最終併合。LIGO和歐洲的Virgo幹涉儀探測到的引力波就是來自緻密雙星併合，雙星系統可以包括兩個中子星、兩個恆星級黑洞或一個中子星和一個恆星級黑洞。
NANOGrav看到的信號，假如是引力波的話，有可能是超大質量黑洞併合產生的引力波。這種超大質量的黑洞，質量比太陽大百萬至十億倍，被認為大量存在於星系（包括我們的銀河系）中心。當兩個星系併合時，位於星系中心的超大質量黑洞有機會成對，形成雙體系統繞轉，並最終併合。由於體量巨大，這樣的兩個黑洞互相繞轉一圈通常要花費數年甚至更長時間，其輻射的引力波頻率在納赫茲（10-9Hz）波段。
圖1. 引力波譜：四個主要的引力波觀測窗口、引力波源和引力波探測器（圖源：改編自朱興江，「脈衝星計時陣探測引力波」,《現代物理知識》, 2016, 28, 10-14）
脈衝星是快速旋轉的中子星。它的兩極發出的光束猶如宇宙中的燈塔一般掠過地球。自1967年首次發現以來，天文學家利用地球上最靈敏的射電望遠鏡已經發現了近三千顆脈衝星。其中有一類脈衝星尤其特別，它們的自轉很快，每秒可達幾百圈，而且自轉周期特別穩定。這種毫秒脈衝星又被戲稱為「宇宙計時員」，因為它們的脈衝總是非常準時地到達地球。
假如遙遠的星系中心有一對超大質量黑洞併合，它們發出的引力波經過銀河系，穿過地球，本該守時的脈衝星信號可能會比預料中更早或者更晚到達。這是因為引力波擾動了脈衝星和地球之間的時空，脈衝星發出的射電波所經歷的路程更長或者更短了。
如果只看一顆脈衝星，可能有各種其它因素無法跟引力波區分開來。例如，脈衝星的自轉意外地發生變化，或者脈衝星發出的電磁波遇上了星際電子而放慢了傳播速度。因此，「脈衝星計時陣」的概念應運而生：通過長時間監測多顆脈衝星的脈衝到達時間，搜尋引力波引起的不同脈衝星之間的關聯信號。
圖2. 脈衝星計時陣的藝術想像圖（圖源：改編自Taylor et al., arXiv:1903.08183）
目前國際上有三大脈衝星計時陣項目：澳大利亞的帕克斯脈衝星計時陣（PPTA）、歐洲脈衝星計時陣（EPTA）和北美洲的NANOGrav。這些探測項目於2005年左右陸續開始運行，至今已經積累了對數十顆脈衝星長達15年的觀測數據。
NANOGrav脈衝星陣包含47顆脈衝星，其中45顆有至少3年的觀測數據，14顆有12.5年的數據。對這45顆脈衝星的數據進行細緻分析後，NANOGrav研究人員發現多顆脈衝星的數據中都出現了一個低頻的特徵。該團隊排除了某些引力波之外的因素，比如數據採集過程中的紕漏和太陽系內某些天體對脈衝星信號傳播的幹擾。
為了證實該信號就是引力波，研究人員必須在不同脈衝星數據之間找到一種獨一無二的相關性——兩顆脈衝星數據的關聯程度和它們相對地球的天空方位有關。但是，目前的NANOGrav數據中沒有發現這種相關性的顯著證據。儘管如此，這一結果還是引起了中外同行的極大興趣。自2020年9月份公布於預印本網站arXiv以來，研究論文已經被引用了85次。對這一疑似引力波信號的猜測性解讀，除了超大質量黑洞併合起源外，還包括宇宙早期相變過程和宇宙弦等。
雖然短期內無法證實NANOGrav看到的信號就是引力波，但這個疑似信號的發現可以說給脈衝星計時陣領域注入了新的能量。接下來的幾年，該領域的進展尤其值得關注。
首先，澳大利亞的帕克斯脈衝星計時陣和歐洲脈衝星計時陣，兩個團隊正在分析他們的獨立數據，檢驗信號的真實性，並希望進一步排除引力波以外的噪聲因素的影響。
其次，脈衝星計時陣是一項持續的長周期實驗，更長的數據和更多的脈衝星對提升引力波探測靈敏度至關重要。因此，「國際脈衝星計時陣」（IPTA）合作計劃可以發揮重大作用。IPTA是一個基於PPTA, EPTA和NANOGrav三個計時陣於2010年達成的數據共享的協議基礎上發展起來的國際合作組織，目前也包括來自中國、印度和南非的脈衝星研究小組。
在這個國際合作組織中，我國的500米FAST射電望遠鏡和南非的平方公裡陣（SKA）先導天線陣MeerKAT是脈衝星觀測的利器。幾年內，FAST和MeerKAT將對足夠多的脈衝星完成高精度的長期計時觀測，有望對納赫茲引力波探測做出決定性的貢獻。
不幸的是，NANOGrav團隊所使用的兩個望遠鏡之一，位于波多黎各的305米阿雷西博（Arecibo）望遠鏡於2020年12月損毀並終止運行。這不僅將影響NANOGrav未來探測引力波的能力，更是國際脈衝星研究領域（包括引力波探測）的巨大損失。因此，我國的FAST作為世界最大口徑的單天線射電望遠鏡在納赫茲引力波探測的作用顯得彌足珍貴。
圖3. 上：中國天眼（FAST）500米射電望遠鏡（圖源：國家天文臺）；下：位於南非的MeerKAT射電望遠鏡陣列，包含64面13.5米直徑的天線（圖源：Reddit）
未來十至二十年，建於南非和澳大利亞的SKA和美國主導的下一代甚大天線陣（ngVLA）將引領開創一個全新的納赫茲引力波天文學領域。通過對幾百顆毫秒脈衝星進行超高精度的計時觀測，天文學家將不僅探測到超大質量雙黑洞併合形成的引力波背景，發現近鄰的單個超大質量雙黑洞系統，還有望測量到宇宙早期形成的引力波。這些新的發現將徹底革新我們對黑洞形成和宇宙演化的認識。
作者簡介：朱興江，現為澳大利亞莫納什大學Research Fellow, 2015年博士畢業於西澳大學物理系，從事引力波天體物理相關研究。2013年成為帕克斯脈衝星計時陣（PPTA）成員，2019至2020年間曾擔任國際脈衝星計時陣（IPTA）指導委員會委員。2012年起為LIGO科學合作組織成員。
來源：光明網
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