通過“宇宙計(jì)時(shí)器”尋找低頻引力波

1月11日，據(jù)國外媒體報(bào)道，北美納赫茲引力波天文臺(tái)（NANOGrav）宣稱，其發(fā)現(xiàn)了一個(gè)可能來源于低頻引力波的信號(hào)特征，如果被證實(shí)，這將是引力波天文學(xué)的又一大里程碑。

NANOGrav發(fā)現(xiàn)的信號(hào)來自遙遠(yuǎn)的脈沖星。這些脈沖星是快速旋轉(zhuǎn)的致密天體，它的兩極發(fā)出的光束猶如宇宙中的燈塔一般掠過地球。研究人員利用射電望遠(yuǎn)鏡收集了可能由引力波產(chǎn)生的信號(hào)數(shù)據(jù)。

“這個(gè)消息非常令人興奮，但研究結(jié)果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。”中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員張承民表示。

找到脈沖星信號(hào)時(shí)間差

“數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的信號(hào)令人難以置信卻又興奮。”上述研究首席研究員約瑟夫·西蒙說。

2015年以來，科學(xué)家已利用激光干涉儀引力波天文臺(tái)（LIGO）和歐洲室女座引力波天文臺(tái)（Virgo）多次探測(cè)到引力波信號(hào)。疑似低頻引力波信號(hào)的現(xiàn)身，為何依然令人如此激動(dòng)？

“LIGO探測(cè)到的引力波，頻率在幾十赫茲到幾百赫茲，屬于高頻引力波。而NANOGrav尋找的引力波信號(hào)，頻率為納赫茲，波長跨越幾個(gè)光年的尺度，屬于低頻引力波。”張承民表示，從頻率來看，兩者相差十多個(gè)量級(jí)。

張承民介紹，探測(cè)納赫茲引力波信號(hào)對(duì)于研究早期宇宙歷史、驗(yàn)證大爆炸理論、獲得超大質(zhì)量黑洞碰撞并合信息、研究星系合并以及進(jìn)一步研究宇宙各種引力波類型的性質(zhì)等具有重要意義。

引力波被稱為時(shí)空的漣漪。天文學(xué)家不能通過望遠(yuǎn)鏡直接“看”到它，但可以通過測(cè)量其穿過時(shí)空時(shí)造成的影響——物體精確位置的微小變化，來尋找它。

NANOGrav選擇的研究對(duì)象是脈沖星信號(hào)。脈沖星是一種我們能探測(cè)到的、可靠的宇宙計(jì)時(shí)器。這些小而稠密的致密天體快速旋轉(zhuǎn)，以精確的時(shí)間間隔發(fā)出射電波脈沖。

而引力波則會(huì)對(duì)這種規(guī)律性造成干擾，因?yàn)橐Σóa(chǎn)生的時(shí)空漣漪會(huì)使時(shí)空產(chǎn)生微小的拉伸和收縮。這些時(shí)空漣漪會(huì)導(dǎo)致脈沖星信號(hào)到達(dá)地球的實(shí)際時(shí)間與預(yù)期時(shí)間之間出現(xiàn)極小的偏差。

NANOGrav就是通過研究散布在銀河系中許多毫秒脈沖星發(fā)出的規(guī)律信號(hào)的時(shí)間特征，即所謂的脈沖星計(jì)時(shí)陣列，來探測(cè)由于引力波拉伸和收縮時(shí)空而引起的時(shí)間微小變化，進(jìn)而獲得引力波存在的線索。

被選中的星可謂百里挑一

據(jù)介紹，NANOGrav通過研究47顆旋轉(zhuǎn)最穩(wěn)定的毫秒脈沖星創(chuàng)建了脈沖星計(jì)時(shí)陣列。

為何是這47顆脈沖星？因?yàn)椋⒎撬械拿}沖星都能用來探測(cè)這種低頻引力波信號(hào)，只有旋轉(zhuǎn)最穩(wěn)定、被研究時(shí)間較長的脈沖星才能實(shí)現(xiàn)探測(cè)需求。這些脈沖星每秒旋轉(zhuǎn)數(shù)百次，具有難以置信的穩(wěn)定性，如此才能保證探測(cè)引力波所需的精度。

“目前，天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)3000多顆射電脈沖星。普通脈沖星的穩(wěn)定性不夠，但毫秒脈沖星的穩(wěn)定性非常高，高到幾億年甚至幾十億年才會(huì)慢一秒，所以可以利用毫秒脈沖星進(jìn)行高精度測(cè)量。”張承民解釋道，目前發(fā)現(xiàn)的毫秒脈沖星數(shù)量在400顆左右，天文學(xué)家會(huì)進(jìn)一步從中挑出非常穩(wěn)定的脈沖星作為觀測(cè)對(duì)象，這47顆毫秒脈沖星便來源于此。

NANOGrav表示，在其所研究的47顆脈沖星中，有45顆擁有至少3年的數(shù)據(jù)集用于分析。在此次研究中，研究人員在這些數(shù)據(jù)集中發(fā)現(xiàn)了一種低頻噪聲特征，這種特征在多個(gè)脈沖星上都是相同的。他們所發(fā)現(xiàn)的時(shí)間變化如此之小，以至于在研究任何單個(gè)脈沖星時(shí)，證據(jù)都不明顯。但作為整體時(shí)，這些不明顯的證據(jù)便意味著一個(gè)重要的信號(hào)特征。

“脈沖星的運(yùn)動(dòng)互相之間本來并沒有相關(guān)性，但引力波穿過銀河系會(huì)使它們的運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)一種相關(guān)性或規(guī)律性。這項(xiàng)研究是希望把各種噪聲排除，把這種規(guī)律運(yùn)動(dòng)的信息尋找出來，從而找出低頻引力波信號(hào)。”張承民說。

得到確切結(jié)論還需幾年

NANOGrav聲稱，新發(fā)現(xiàn)的信號(hào)特征已排除一些引力波以外的來源，比如來自太陽系物質(zhì)的干擾或者數(shù)據(jù)收集中的某些錯(cuò)誤等。

為了驗(yàn)證這一疑似低頻引力波信號(hào)，研究人員必須在不同脈沖星數(shù)據(jù)之間找到一種獨(dú)一無二的相關(guān)性——兩顆脈沖星數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)程度和它們相對(duì)地球的天空方位有關(guān)。但由于信號(hào)太弱，目前還沒有發(fā)現(xiàn)這種相關(guān)性的顯著證據(jù)，增強(qiáng)信號(hào)則需要NANOGrav擴(kuò)展它的數(shù)據(jù)集，以包括數(shù)量更多、研究時(shí)間更長的脈沖星，這就需要增加望遠(yuǎn)鏡陣列的靈敏度。此外，通過將NANOGrav的數(shù)據(jù)與其他脈沖星計(jì)時(shí)陣列實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)匯集在一起，開展國際脈沖星計(jì)時(shí)陣列（IPTA）合作計(jì)劃可能會(huì)有助于揭示這種特殊的相關(guān)性。

目前，NANOGrav正在開發(fā)新的技術(shù)，以確保檢測(cè)到的信號(hào)并非來自其他來源。他們正在建立一種計(jì)算機(jī)模型，幫助檢測(cè)信號(hào)是否是由引力波以外的效應(yīng)引起，以避免錯(cuò)誤判斷。

“用脈沖星計(jì)時(shí)陣列探測(cè)引力波需要耐心。我們正在分析十幾年的數(shù)據(jù)，但得到確切的結(jié)論可能還需要幾年的時(shí)間。”NANOGrav現(xiàn)任主席斯科特·蘭森說。

需要更多大型望遠(yuǎn)鏡的加入

這個(gè)信號(hào)是否真的來源于低頻引力波？張承民認(rèn)為：“目前的研究結(jié)果還處于初步階段，暫時(shí)不能蓋棺定論。”

“這項(xiàng)研究實(shí)際上是分析了40多顆毫秒脈沖星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，是數(shù)據(jù)處理的結(jié)果。計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)處理方法、毫秒脈沖星的選擇對(duì)研究結(jié)果會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。要證實(shí)確實(shí)是低頻引力波信號(hào)，還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。”張承民說。

他告訴記者，低頻引力波的探測(cè)需要高精度測(cè)量，而且需要長時(shí)間的數(shù)據(jù)積累和數(shù)據(jù)分析。加入觀測(cè)的大型望遠(yuǎn)鏡數(shù)量越多，望遠(yuǎn)鏡靈敏度越高，數(shù)據(jù)的質(zhì)量就越高，可靠的數(shù)據(jù)積累就越多，進(jìn)而誤差就越小，數(shù)據(jù)的可靠性也就越高。

張承民介紹，除了北美，目前澳大利亞、歐洲都有望遠(yuǎn)鏡對(duì)毫秒脈沖星進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過全球其他射電望遠(yuǎn)鏡的加入，為研究團(tuán)隊(duì)提供更多優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)，未來是有可能對(duì)這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證的。

不過也有個(gè)不好的消息，在整個(gè)研究過程中，NANOGrav利用了美國綠岸射電望遠(yuǎn)鏡和阿雷西博望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)。而305米口徑的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡最近卻垮塌了。

NANOGrav表示，研究團(tuán)隊(duì)將尋求其他數(shù)據(jù)來源，并加強(qiáng)與國際同行的合作。但失去阿雷西博望遠(yuǎn)鏡，還是會(huì)對(duì)NANOGrav在未來描述這種背景噪聲并探測(cè)引力波信號(hào)造成影響。

“阿雷西博望遠(yuǎn)鏡的精度比較高，它的垮塌使新的數(shù)據(jù)積累受到影響，加大了驗(yàn)證的難度。未來，研究團(tuán)隊(duì)需要聯(lián)合其他望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)進(jìn)行進(jìn)一步檢驗(yàn)。”張承民說。