通过“宇宙计时器”寻找低频引力波

1月11日，据外媒报道，北美NANOGrav宣布发现了一个可能来自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，其两极发出的光束像宇宙中的灯塔一样掠过地球。研究人员利用射电望远镜收集可能由引力波产生的信号数据，相关研究成果发表于《天体物理学快报》。

“这个消息很振奋人心，但是研究结果还需要进一步验证。”中国科学院国家天文台研究员张成敏在接受《科技日报》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."上述研究的首席研究员约瑟夫西蒙说。

自2015年以来，科学家们使用激光干涉仪引力波观测站(LIGO)和欧洲处女座引力波观测站(处女座)多次探测引力波信号。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在几十赫兹到几百赫兹之间，属于高频引力波。NANOGrav寻找的引力波信号频率为毫微赫兹，波长跨越数光年，是低频引力波。”张成敏说，从频率的角度来看，两者之间的差异超过十个数量级。

张成敏认为，纳米赫兹引力波信号的探测对于研究早期宇宙历史、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具有重要意义。

引力波被称为时空涟漪。天文学家不能通过望远镜直接“看到”它，但他们可以通过测量——个物体穿越时空时影响其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。脉冲星是我们可以探测到的可靠的宇宙计时器。这些小而致密的天体快速旋转，并以精确的时间间隔发射无线电波。

引力波会干扰这种规律性，因为引力波引起的时空涟漪会使时空略微拉伸和收缩。这些时空波纹会造成脉冲星信号的实际到达时间和预期时间之间的微小偏差。

NANOGrav是研究分散在银河系中的许多毫秒脉冲星发出的规则信号的时间特性，即所谓的脉冲星计时阵列，探测引力波拉伸和时空收缩引起的微小时间变化，进而获得引力波的线索。

被选中的明星是百里挑一

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

为什么这47颗脉冲星？因为不是所有的脉冲星都能用来探测这类低频引力波信号，只有自转最稳定、研究时间最长的脉冲星才能满足探测要求。这些脉冲星每秒旋转数百次，具有难以置信的稳定性，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是不够的，但毫秒脉冲星的稳定性很高，在几亿年甚至几十亿年后会慢一秒，所以毫秒脉冲星可以用于高精度测量。”张成敏解释说，目前发现了大约400毫秒的脉冲星，天文学家将进一步挑选非常稳定的脉冲星作为观测对象，而这些47毫秒的脉冲星来自这里。

NANOGrav说，在它研究的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一样的。他们发现的时间变化如此之小，以至于在研究任何一颗脉冲星时，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。

“脉冲星的运动是互不相关的，但穿过银河系的引力波会使它们的运动具有相关性或规律性。本研究希望消除各种噪声，找出这种规律性运动的信息，从而找出低频引力波信号。”张成敏说。

需要几年才能得出明确的结论

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

为了验证这一可疑的低频引力波信号，研究人员必须找到不同脉冲星数据之间的独特相关性。然而，因为信号太弱，还没有发现这种相关性的显著证据。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，通过将NANOGrav的数据与其他脉冲星计时阵列实验的数据相结合，国际IPTA合作计划可能有助于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会来自其他来源。他们正在建立一个计算机模型，以帮助检测信号是否是由引力波以外的效应引起的，从而避免误判。

“用脉冲星计时阵列探测引力波需要耐心。我们正在分析十多年的数据，但可能需要几年才能得出明确的结论。”NANOGrav现任主席斯科特朗松说。

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起步阶段，暂时无法做出最终结论。”

“这项研究实际上分析了40多毫秒脉冲星的观测数据，这是数据处理的结果。定时数据处理

　　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。