發(fā)布科研成果，普及天文知識昨天 16:42
近日，一個(gè)國際研究團隊在《天體物理學(xué)快報》上發(fā)表論文，宣布找到一個(gè)疑似低頻引力波的信號。如果被證實(shí)，這將是引力波天文學(xué)的又一大里程碑：一扇觀(guān)測宇宙的低頻引力波窗口將向人類(lèi)開(kāi)放。
引力波，和電磁波一樣，也分不同的波段。此前，近年來(lái)頻繁登上科學(xué)新聞頭條的“激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）”發(fā)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顆脈沖星的觀(guān)測數據后，發(fā)現一個(gè)有趣的低頻信號。這個(gè)信號可能就是天文學(xué)家過(guò)去十年一直苦苦追尋的納赫茲引力波，其頻率比LIGO發(fā)現的引力波相差了11個(gè)數量級！
根據愛(ài)因斯坦的廣義相對論，大質(zhì)量的天體加速運動(dòng)將產(chǎn)生引力波，這是一種以光速傳播的時(shí)空“漣漪”。最典型的引力波源是兩個(gè)天體相互繞轉，因輻射引力波帶走了軌道能量，逐漸靠近而最終并合。LIGO和歐洲的Virgo干涉儀探測到的引力波就是來(lái)自致密雙星并合，雙星系統可以包括兩個(gè)中子星、兩個(gè)恒星級黑洞或一個(gè)中子星和一個(gè)恒星級黑洞。
NANOGrav看到的信號，假如是引力波的話(huà)，有可能是超大質(zhì)量黑洞并合產(chǎn)生的引力波。這種超大質(zhì)量的黑洞，質(zhì)量比太陽(yáng)大百萬(wàn)至十億倍，被認為大量存在于星系（包括我們的銀河系）中心。當兩個(gè)星系并合時(shí)，位于星系中心的超大質(zhì)量黑洞有機會(huì )成對，形成雙體系統繞轉，并最終并合。由于體量巨大，這樣的兩個(gè)黑洞互相繞轉一圈通常要花費數年甚至更長(cháng)時(shí)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(gè)主要的引力波觀(guān)測窗口、引力波源和引力波探測器（圖源：改編自朱興江，“脈沖星計時(shí)陣探測引力波”,《現代物理知識》, 2016, 28, 10-14）
脈沖星是快速旋轉的中子星。它的兩極發(fā)出的光束猶如宇宙中的燈塔一般掠過(guò)地球。自1967年首次發(fā)現以來(lái)，天文學(xué)家利用地球上最靈敏的射電望遠鏡已經(jīng)發(fā)現了近三千顆脈沖星。其中有一類(lèi)脈沖星尤其特別，它們的自轉很快，每秒可達幾百圈，而且自轉周期特別穩定。這種毫秒脈沖星又被戲稱(chēng)為“宇宙計時(shí)員”，因為它們的脈沖總是非常準時(shí)地到達地球。
假如遙遠的星系中心有一對超大質(zhì)量黑洞并合，它們發(fā)出的引力波經(jīng)過(guò)銀河系，穿過(guò)地球，本該守時(shí)的脈沖星信號可能會(huì )比預料中更早或者更晚到達。這是因為引力波擾動(dòng)了脈沖星和地球之間的時(shí)空，脈沖星發(fā)出的射電波所經(jīng)歷的路程更長(cháng)或者更短了。
如果只看一顆脈沖星，可能有各種其它因素無(wú)法跟引力波區分開(kāi)來(lái)。例如，脈沖星的自轉意外地發(fā)生變化，或者脈沖星發(fā)出的電磁波遇上了星際電子而放慢了傳播速度。因此，“脈沖星計時(shí)陣”的概念應運而生：通過(guò)長(cháng)時(shí)間監測多顆脈沖星的脈沖到達時(shí)間，搜尋引力波引起的不同脈沖星之間的關(guān)聯(lián)信號。
圖2. 脈沖星計時(shí)陣的藝術(shù)想象圖（圖源：改編自Taylor et al., arXiv:1903.08183）
目前國際上有三大脈沖星計時(shí)陣項目：澳大利亞的帕克斯脈沖星計時(shí)陣（PPTA）、歐洲脈沖星計時(shí)陣（EPTA）和北美洲的NANOGrav。這些探測項目于2005年左右陸續開(kāi)始運行，至今已經(jīng)積累了對數十顆脈沖星長(cháng)達15年的觀(guān)測數據。
NANOGrav脈沖星陣包含47顆脈沖星，其中45顆有至少3年的觀(guān)測數據，14顆有12.5年的數據。對這45顆脈沖星的數據進(jìn)行細致分析后，NANOGrav研究人員發(fā)現多顆脈沖星的數據中都出現了一個(gè)低頻的特征。該團隊排除了某些引力波之外的因素，比如數據采集過(guò)程中的紕漏和太陽(yáng)系內某些天體對脈沖星信號傳播的干擾。
為了證實(shí)該信號就是引力波，研究人員必須在不同脈沖星數據之間找到一種獨一無(wú)二的相關(guān)性——兩顆脈沖星數據的關(guān)聯(lián)程度和它們相對地球的天空方位有關(guān)。但是，目前的NANOGrav數據中沒(méi)有發(fā)現這種相關(guān)性的顯著(zhù)證據。盡管如此，這一結果還是引起了中外同行的極大興趣。自2020年9月份公布于預印本網(wǎng)站arXiv以來(lái)，研究論文已經(jīng)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(zhì)量黑洞并合起源外，還包括宇宙早期相變過(guò)程和宇宙弦等。
雖然短期內無(wú)法證實(shí)NANOGrav看到的信號就是引力波，但這個(gè)疑似信號的發(fā)現可以說(shuō)給脈沖星計時(shí)陣領(lǐng)域注入了新的能量。接下來(lái)的幾年，該領(lǐng)域的進(jìn)展尤其值得關(guān)注。
首先，澳大利亞的帕克斯脈沖星計時(shí)陣和歐洲脈沖星計時(shí)陣，兩個(gè)團隊正在分析他們的獨立數據，檢驗信號的真實(shí)性，并希望進(jìn)一步排除引力波以外的噪聲因素的影響。
其次，脈沖星計時(shí)陣是一項持續的長(cháng)周期實(shí)驗，更長(cháng)的數據和更多的脈沖星對提升引力波探測靈敏度至關(guān)重要。因此，“國際脈沖星計時(shí)陣”（IPTA）合作計劃可以發(fā)揮重大作用。IPTA是一個(gè)基于PPTA, EPTA和NANOGrav三個(gè)計時(shí)陣于2010年達成的數據共享的協(xié)議基礎上發(fā)展起來(lái)的國際合作組織，目前也包括來(lái)自中國、印度和南非的脈沖星研究小組。
在這個(gè)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里陣（SKA）先導天線(xiàn)陣MeerKAT是脈沖星觀(guān)測的利器。幾年內，FAST和MeerKAT將對足夠多的脈沖星完成高精度的長(cháng)期計時(shí)觀(guān)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(gè)望遠鏡之一，位于波多黎各的305米阿雷西博（Arecibo）望遠鏡于2020年12月?lián)p毀并終止運行。這不僅將影響NANOGrav未來(lái)探測引力波的能力，更是國際脈沖星研究領(lǐng)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(xiàn)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：位于南非的MeerKAT射電望遠鏡陣列，包含64面13.5米直徑的天線(xiàn)（圖源：Reddit）
未來(lái)十至二十年，建于南非和澳大利亞的SKA和美國主導的下一代甚大天線(xiàn)陣（ngVLA）將引領(lǐng)開(kāi)創(chuàng )一個(gè)全新的納赫茲引力波天文學(xué)領(lǐng)域。通過(guò)對幾百顆毫秒脈沖星進(jìn)行超高精度的計時(shí)觀(guān)測，天文學(xué)家將不僅探測到超大質(zhì)量雙黑洞并合形成的引力波背景，發(fā)現近鄰的單個(gè)超大質(zhì)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(fā)現將徹底革新我們對黑洞形成和宇宙演化的認識。
作者簡(jiǎn)介
朱興江，現為澳大利亞莫納什大學(xué)Research Fellow, 2015年博士畢業(yè)于西澳大學(xué)物理系，從事引力波天體物理相關(guān)研究。2013年成為帕克斯脈沖星計時(shí)陣（PPTA）成員，2019至2020年間曾擔任國際脈沖星計時(shí)陣（IPTA）指導委員會(huì )委員。2012年起為L(cháng)IGO科學(xué)合作組織成員。
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