十年找箭|一个疑似宇宙低频引力波的信号
最近，一个国际研究小组在《天体物理学快报》上发表了一篇论文，宣布发现了一个疑似低频引力波的信号。如果被证实，这将是引力波天文学的又一大里程碑：一扇观测宇宙的低频引力波窗口将向人类开放。
引力波和电磁波一样，分为不同的波段。此前，近年来频频登上头条的“LIGO”号以几十到几千赫兹的频率发现了高频引力波,这一次，在分析了45颗脉冲星的观测数据后，NANOGrav发现了一个有趣的低频信号.信号这个信号可能就是天文学家们近十年来一直在寻找的纳赫兹引力波，它的频率与LIGO发现的引力波相差11个数量级！
根据爱因斯坦广义相对论，大质量天体的加速会产生引力波，是以光速传播的时空涟漪。最典型的引力波源是两个天体互相围绕，因为辐射的引力波带走了轨道能量，逐渐靠近，最后合并。欧洲LIGO和处女座干涉仪探测到的引力波来自致密双星的组合，其中可以包括两颗中子星、两颗恒星黑洞或一颗中子星和一颗恒星黑洞。
如果NANOGrav看到的信号的假如是引力波，那可能是超大质量黑洞合并产生的引力波。这个质量比太阳大几百万到几十亿倍的超大质量黑洞，被认为存在于星系中心(包括我们的银河系)。当两个星系合并时，星系中心的超大质量黑洞有机会配对，形成两体系统，然后合并。由于体积巨大，两个黑洞通常需要数年甚至更长时间才能相互环绕，它们辐射的引力波频率在10-9Hz波段。
图1。引力谱：四个主要引力波观测窗口、引力波源和引力波探测器(来源：改编自朱星江《脉冲星计时阵列探测引力波》，《现代物理知识》，2016，28，10-14)
脉冲星是快速旋转的中子星。它的两极发出的光束像宇宙中的灯塔一样扫过地球。自从1967年首次被发现以来，天文学家已经用地球上最灵敏的射电望远镜发现了近3000颗脉冲星。脉冲星有一种是特殊的。它们旋转速度非常快，达到每秒数百转，旋转周期特别稳定。这种毫秒脉冲星又被戏称为“宇宙计时员”,因为它们的脉冲总是准时到达地球。
如果一对超大质量黑洞在遥远的星系中心合并，它们的引力波穿过银河系和地球，准时的脉冲星信号可能比预期早到或晚到。这是因为引力波扰动了脉冲星和地球之间的时空，脉冲星发出的射电波所经历的路程更长或者更短了。
如果只看一颗脉冲星，可能还有其他各种无法与引力波区分的因素。比如脉冲星的自转发生了意想不到的变化，或者脉冲星发出的电磁波遇到星际电子，传播速度变慢。于是，“脉冲星计时阵”的概念应运而生：通过长期监测多颗脉冲星的脉冲到达时间，搜索引力波引起的不同脉冲星之间的相关信号。
图2。脉冲星计时阵列的艺术想象(来源：改编自泰勒等人，Arxiv 333003.08183)
目前世界上有三个主要的脉冲星计时阵列项目：澳大利亚的帕克斯脉冲星计时阵列(PPTA)、欧洲的脉冲星计时阵列(EPTA)和北美的NANOGrav。这些探测项目在2005年左右开始运行，已经积累了15年数十颗脉冲星的观测数据。
NANOGrav脉冲星阵列包含47颗脉冲星，其中45颗拥有至少3年的观测数据，14颗拥有12.5年的数据。在详细分析了这45颗脉冲星的数据后，NANOGrav研究人员发现，许多脉冲星的数据中存在低频特征。该小组排除了除某些引力波之外的其他因素，如数据采集的缺陷和太阳系中一些天体对脉冲星信号传播的干扰。
="one-p">为了证实该信号就是引力波，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。但是，目前的NANOGrav数据中没有发现这种相关性的显著证据。尽管如此，这一结果还是引起了中外同行的极大兴趣。自2020年9月份公布于预印本网站arXiv以来，研究论文已经被引用了85次。对这一疑似引力波信号的猜测性解读，除了超大质量黑洞并合起源外，还包括宇宙早期相变过程和宇宙弦等。虽然短期内无法证实NANOGrav看到的信号就是引力波，但这个疑似信号的发现可以说给脉冲星计时阵领域注入了新的能量。接下来的几年，该领域的进展尤其值得关注。
首先，澳大利亚的帕克斯脉冲星计时阵和欧洲脉冲星计时阵，两个团队正在分析他们的独立数据，检验信号的真实性，并希望进一步排除引力波以外的噪声因素的影响。
其次，脉冲星计时阵是一项持续的长周期实验，更长的数据和更多的脉冲星对提升引力波探测灵敏度至关重要。因此，“国际脉冲星计时阵”（IPTA）合作计划可以发挥重大作用。IPTA是一个基于PPTA, EPTA和NANOGrav三个计时阵于2010年达成的数据共享的协议基础上发展起来的国际合作组织，目前也包括来自中国、印度和南非的脉冲星研究小组。
在这个国际合作组织中，我国的500米FAST射电望远镜和南非的平方公里阵（SKA）先导天线阵MeerKAT是脉冲星观测的利器。几年内，FAST和MeerKAT将对足够多的脉冲星完成高精度的长期计时观测，有望对纳赫兹引力波探测做出决定性的贡献。
不幸的是，NANOGrav团队所使用的两个望远镜之一，位于波多黎各的305米阿雷西博（Arecibo）望远镜于2020年12月损毁并终止运行。这不仅将影响NANOGrav未来探测引力波的能力，更是国际脉冲星研究领域（包括引力波探测）的巨大损失。因此，我国的FAST作为世界最大口径的单天线射电望远镜在纳赫兹引力波探测的作用显得弥足珍贵。
图3. 上：中国天眼（FAST）500米射电望远镜（图源：国家天文台）；下：位于南非的MeerKAT射电望远镜阵列，包含64面13.5米直径的天线（图源：Reddit）
未来十至二十年，建于南非和澳大利亚的SKA和美国主导的下一代甚大天线阵（ngVLA）将引领开创一个全新的纳赫兹引力波天文学领域。通过对几百颗毫秒脉冲星进行超高精度的计时观测，天文学家将不仅探测到超大质量双黑洞并合形成的引力波背景，发现近邻的单个超大质量双黑洞系统，还有望测量到宇宙早期形成的引力波。这些新的发现将彻底革新我们对黑洞形成和宇宙演化的认识。