通过“宇宙计时器”寻找低频引力波

通过“宇宙计时器”寻找低频引力波

天文学家已发现疑似信号，但结果尚不能盖棺定论

图中绿色网格表示引力波产生的时空涟漪，这些涟漪会影响来自脉冲星的无线电信号到达地球的时间。NASA

LIGO探测到的引力波，频率在几十赫兹到几百赫兹，属于高频引力波。而NANOGrav寻找的引力波信号，频率为纳赫兹，波长跨越几个光年的尺度，属于低频引力波。

张承民

中国科学院国家天文台研究员

1月11日，据国外媒体报道，北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）宣称，其发现了一个可能来源于低频引力波的信号特征，如果被证实，这将是引力波天文学的又一大里程碑。

NANOGrav发现的信号来自遥远的脉冲星。这些脉冲星是快速旋转的致密天体，它的两极发出的光束犹如宇宙中的灯塔一般掠过地球。研究人员利用射电望远镜收集了可能由引力波产生的信号数据，相关研究结果发表于《天体物理学快报》。

“这个消息非常令人兴奋，但研究结果有待进一步验证。”中国科学院国家天文台研究员张承民在接受科技日报记者采访时表示。

找到脉冲星信号时间差

“数据中出现的信号令人难以置信却又兴奋。”上述研究首席研究员约瑟夫·西蒙说。

2015年以来，科学家已利用激光干涉仪引力波天文台（LIGO）和欧洲室女座引力波天文台（Virgo）多次探测到引力波信号。疑似低频引力波信号的现身，为何依然令人如此激动？

“LIGO探测到的引力波，频率在几十赫兹到几百赫兹，属于高频引力波。而NANOGrav寻找的引力波信号，频率为纳赫兹，波长跨越几个光年的尺度，属于低频引力波。”张承民表示，从频率来看，两者相差十多个量级。

张承民介绍，探测纳赫兹引力波信号对于研究早期宇宙历史、验证大爆炸理论、获得超大质量黑洞碰撞并合信息、研究星系合并以及进一步研究宇宙各种引力波类型的性质等具有重要意义。

引力波被称为时空的涟漪。天文学家不能通过望远镜直接“看”到它，但可以通过测量其穿过时空时造成的影响——物体精确位置的微小变化，来寻找它。

NANOGrav选择的研究对象是脉冲星信号。脉冲星是一种我们能探测到的、可靠的宇宙计时器。这些小而稠密的致密天体快速旋转，以精确的时间间隔发出射电波脉冲。

而引力波则会对这种规律性造成干扰，因为引力波产生的时空涟漪会使时空产生微小的拉伸和收缩。这些时空涟漪会导致脉冲星信号到达地球的实际时间与预期时间之间出现极小的偏差。

NANOGrav就是通过研究散布在银河系中许多毫秒脉冲星发出的规律信号的时间特征，即所谓的脉冲星计时阵列，来探测由于引力波拉伸和收缩时空而引起的时间微小变化，进而获得引力波存在的线索。

被选中的星可谓百里挑一

据介绍，NANOGrav通过研究47颗旋转最稳定的毫秒脉冲星创建了脉冲星计时阵列。

为何是这47颗脉冲星？因为，并非所有的脉冲星都能用来探测这种低频引力波信号，只有旋转最稳定、被研究时间较长的脉冲星才能实现探测需求。这些脉冲星每秒旋转数百次，具有难以置信的稳定性，如此才能保证探测引力波所需的精度。

“目前，天文学家已发现3000多颗射电脉冲星。普通脉冲星的稳定性不够，但毫秒脉冲星的稳定性非常高，高到几亿年甚至几十亿年才会慢一秒，所以可以利用毫秒脉冲星进行高精度测量。”张承民解释道，目前发现的毫秒脉冲星数量在400颗左右，天文学家会进一步从中挑出非常稳定的脉冲星作为观测对象，这47颗毫秒脉冲星便来源于此。

NANOGrav表示，在其所研究的47颗脉冲星中，有45颗拥有至少3年的数据集用于分析。在此次研究中，研究人员在这些数据集中发现了一种低频噪声特征，这种特征在多个脉冲星上都是相同的。他们所发现的时间变化如此之小，以至于在研究任何单个脉冲星时，证据都不明显。但作为整体时，这些不明显的证据便意味着一个重要的信号特征。

“脉冲星的运动互相之间本来并没有相关性，但引力波穿过银河系会使它们的运动出现一种相关性或规律性。这项研究是希望把各种噪声排除，把这种规律运动的信息寻找出来，从而找出低频引力波信号。”张承民说。

得到确切结论还需几年

NANOGrav声称，新发现的信号特征已排除一些引力波以外的来源，比如来自太阳系物质的干扰或者数据收集中的某些错误等。

为了验证这一疑似低频引力波信号，研究人员必须在不同脉冲星数据之间找到一种独一无二的相关性——两颗脉冲星数据的关联程度和它们相对地球的天空方位有关。但由于信号太弱，目前还没有发现这种相关性的显著证据，增强信号则需要NANOGrav扩展它的数据集，以包括数量更多、研究时间更长的脉冲星，这就需要增加望远镜阵列的灵敏度。此外，通过将NANOGrav的数据与其他脉冲星计时阵列实验的数据汇集在一起，开展国际脉冲星计时阵列（IPTA）合作计划可能会有助于揭示这种特殊的相关性。

目前，NANOGrav正在开发新的技术，以确保检测到的信号并非来自其他来源。他们正在建立一种计算机模型，帮助检测信号是否是由引力波以外的效应引起，以避免错误判断。

“用脉冲星计时阵列探测引力波需要耐心。我们正在分析十几年的数据，但得到确切的结论可能还需要几年的时间。”NANOGrav现任主席斯科特·兰森说。

需要更多大型望远镜的加入

这个信号是否真的来源于低频引力波？张承民认为：“目前的研究结果还处于初步阶段，暂时不能盖棺定论。”

“这项研究实际上是分析了40多颗毫秒脉冲星的观测数据，是数据处理的结果。计时数据处理方法、毫秒脉冲星的选择对研究结果会产生巨大的影响。要证实确实是低频引力波信号，还需要进一步验证。”张承民说。

他告诉记者，低频引力波的探测需要高精度测量，而且需要长时间的数据积累和数据分析。加入观测的大型望远镜数量越多，望远镜灵敏度越高，数据的质量就越高，可靠的数据积累就越多，进而误差就越小，数据的可靠性也就越高。

张承民介绍，除了北美，目前澳大利亚、欧洲都有望远镜对毫秒脉冲星进行监测。通过全球其他射电望远镜的加入，为研究团队提供更多优质数据，未来是有可能对这项发现进行进一步验证的。

不过也有个不好的消息，在整个研究过程中，NANOGrav利用了美国绿岸射电望远镜和阿雷西博望远镜的观测数据。而305米口径的阿雷西博望远镜最近却垮塌了。

NANOGrav表示，研究团队将寻求其他数据来源，并加强与国际同行的合作。但失去阿雷西博望远镜，还是会对NANOGrav在未来描述这种背景噪声并探测引力波信号造成影响。

“阿雷西博望远镜的精度比较高，它的垮塌使新的数据积累受到影响，加大了验证的难度。未来，研究团队需要联合其他望远镜进行观测，对这项发现进行进一步检验。”张承民说。