通过“宇宙计时器”寻找低频引力波

天文学家已经发现了疑似信号，但结果仍无定论。

图中绿色网格显示的是引力波产生的时间空涟漪，它会影响脉冲星的无线电信号到达地球的时间。国家航空与航天局

张成敏

中国科学院国家天文台研究员

1月11日消息，据国外媒体报道，北美的NANOGrav天文台宣布发现了一个可能来源于低频引力波的信号特征。如果得到证实，这将是引力波天文学的又一个里程碑。

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，其磁极发出的光束像宇宙中的灯塔一样穿过地球。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，相关研究成果发表在《天体物理学快报》上。

“这个消息很振奋人心，但研究结果还需要进一步验证。”中科院国家天文台研究员张成敏在接受科技日报记者采访时表示。

求脉冲星信号时差

“数据中出现的信号令人难以置信，但令人兴奋。”这项研究的首席研究员约瑟夫·西蒙说。

自2015年以来，科学家利用激光干涉仪引力波天文台(LIGO)和欧洲处女座引力波天文台(处女座)多次探测到引力波信号。为什么疑似低频引力波信号的出现还是那么令人兴奋？

“LIGO探测到的引力波，频率从几十赫兹到几百赫兹，属于高频引力波。NANOGrav正在寻找的引力波信号，频率为纳赫兹，波长跨越数光年，是一种低频引力波。”张成敏说，就频率而言，两者之间的差异超过十个数量级。

据张成敏介绍，探测到纳米级赫兹的引力波信号，对于研究早期宇宙的历史、验证大爆炸理论、获取超大质量黑洞的碰撞和合并信息、研究星系合并以及进一步研究宇宙中各种引力波类型的性质都具有重要意义。

引力波被称为时间的涟漪空。天文学家无法通过望远镜直接“看到”它，但他们可以通过测量它穿过空(物体精确位置的微小变化)时的冲击来寻找它。

NANOGrav选择的研究对象是脉冲星信号。脉冲星是我们可以探测到的可靠的宇宙计时器。这些小而密而密的天体快速旋转，以精确的时间间隔发出无线电波。

引力波会打乱这种规律性，因为引力波产生的波纹会让小时空稍微拉伸收缩。这些时间空纹波会造成脉冲星信号到达地球的实际时间与预期时间出现微小偏差。

NANOGrav是研究散布在银河系中的许多毫秒脉冲星发出的有规律信号的时间特征，即所谓的脉冲星计时阵列，来探测引力波伸缩空引起的时间的微小变化，进而获得引力波的线索。

被选中的星星是万里挑一的。

据报道，NANOGrav通过研究自转最稳定的47颗毫秒脉冲星，创建了脉冲星计时阵列。

为什么是这47颗脉冲星？因为不是所有的脉冲星都可以用来探测这种低频引力波信号，只有自转最稳定、研究时间长的脉冲星才能满足探测要求。这些脉冲星每秒钟旋转数百次，它们的稳定性令人难以置信，从而保证了探测引力波所需的精度。

“目前，天文学家已经发现了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很高，达到几亿年甚至几十亿年才会慢一秒，所以毫秒脉冲星可以用于高精度测量。”张成敏解释说，目前发现的毫秒脉冲星数量约为400颗，天文学家将进一步选择非常稳定的脉冲星作为观测对象。这47毫秒脉冲星就是由此而来。

NANOGrav表示，在其研究的47颗脉冲星中，有45颗拥有至少3年的数据集可供分析。在这项研究中，研究人员在这些数据集中发现了一个低频噪声特征，这在许多脉冲星中是相同的。他们发现的时间变化非常小，以至于在研究任何单个脉冲星时，证据都不明显。但总的来说，这些不明显的证据意味着一个重要的信号特征。

“脉冲星的运动相互之间没有相关性，但是穿过银河系的引力波会使它们的运动有一种相关性或规律性。这项研究希望排除各种噪声，找出这种有规律运动的信息，从而找出低频引力波信号。”张成敏说道。

需要几年时间才能得出明确的结论。

NANOGrav声称，新发现的信号特征已经排除了引力波以外的一些来源，例如太阳系物质的干扰或数据收集中的一些错误。

为了验证这种疑似低频引力波信号，研究人员必须找到不同脉冲星数据之间的唯一相关性——两个脉冲星数据的相关程度与其相对于地球的天体空位置有关。然而，由于信号太弱，还没有发现这种相关性的重要证据。为了增强信号，NANOGrav需要扩展其数据集，以包括更多研究时间更长的脉冲星，这需要提高望远镜阵列的灵敏度。此外，国际脉冲星计时阵列(IPTA)合作计划可能有助于通过结合NANOGrav的数据和其他脉冲星计时阵列实验的数据来揭示这种特殊的相关性。

目前，NANOGrav正在开发新技术，以确保检测到的信号不是来自其他来源。他们正在建立一个计算机模型来帮助检测信号是否是由引力波以外的效应引起的，以避免错误的判断。

“用脉冲星计时阵探测引力波需要耐心。我们正在分析十几年的数据，但可能需要几年才能得出确切的结论。”NANOGrav现任主席斯科特·兰森(Scott Ransom)说。

需要更多的大型望远镜。

这个信号真的来自低频引力波吗？张成敏认为:“目前的研究成果还处于初级阶段，暂时无法下定论。”

“这项研究实际上是对40多个毫秒脉冲星的观测数据进行分析，这是数据处理的结果。计时方法和毫秒脉冲星的选择将对研究结果产生很大影响。要确认确实是低频引力波信号，还需要进一步验证。”张成敏说。

他告诉记者，低频引力波的探测需要高精度的测量，需要长期的数据积累和分析。观测的大型望远镜越多，望远镜的灵敏度就越高，数据的质量就越高，积累的数据就越可靠，然后误差就越小，数据的可靠性就越高。

张成敏介绍，除了北美，在澳洲和欧洲也有望远镜监测毫秒脉冲星。随着世界各地其他射电望远镜的加入，将为研究团队提供更多高质量的数据，未来有可能进一步验证这一发现。

然而，也有坏消息。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。305米的阿雷西博望远镜最近倒塌了。

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。然而，阿雷西博望远镜的丢失仍然会影响NANOGrav未来对这种背景噪声的描述和对引力波信号的探测。

“阿雷西博望远镜的精度比较高，它的坍塌影响了新的数据积累，增加了验证的难度。未来，研究小组需要用其他望远镜进行观测，以进一步检验这一发现。”张成敏说。

来源:科技日报