十年寻一箭｜来自茫茫宇宙的一个疑似低频引力波的信号
近日，一个国际研究团队在《天体物理学快报》上发表论文，宣布找到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，也分不同的波段。此前，近年来频繁登上科学新闻头条的“激光干涉仪引力波天文台（LIGO）”发现的是高频引力波，频率大约在几十至上千赫兹。此次，北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）在分析了45颗脉冲星的观测数据后，发现一个有趣的低频信号。这个信号可能就是天文学家过去十年一直苦苦追寻的纳赫兹引力波，其频率比LIGO发现的引力波相差了11个数量级！
根据爱因斯坦的广义相对论，大质量的天体加速运动将产生引力波，这是一种以光速传播的时空“涟漪”。最典型的引力波源是两个天体相互绕转，因辐射引力波带走了轨道能量，逐渐靠近而最终并合。LIGO和欧洲的Virgo干涉仪探测到的引力波就是来自致密双星并合，双星系统可以包括两个中子星、两个恒星级黑洞或一个中子星和一个恒星级黑洞。
NANOGrav看到的信号，假如是引力波的话，有可能是超大质量黑洞并合产生的引力波。这种超大质量的黑洞，质量比太阳大百万至十亿倍，被认为大量存在于星系（包括我们的银河系）中心。当两个星系并合时，位于星系中心的超大质量黑洞有机会成对，形成双体系统绕转，并最终并合。由于体量巨大，这样的两个黑洞互相绕转一圈通常要花费数年甚至更长时间，其辐射的引力波频率在纳赫兹（10-9Hz）波段。
图1. 引力波谱：四个主要的引力波观测窗口、引力波源和引力波探测器（图源：改编自朱兴江，“脉冲星计时阵探测引力波”,《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犹如宇宙中的灯塔一般掠过地球。自1967年首次发现以来，天文学家利用地球上最灵敏的射电望远镜已经发现了近三千颗脉冲星。其中有一类脉冲星尤其特别，它们的自转很快，每秒可达几百圈，而且自转周期特别稳定。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非常准时地到达地球。
假如遥远的星系中心有一对超大质量黑洞并合，它们发出的引力波经过银河系，穿过地球，本该守时的脉冲星信号可能会比预料中更早或者更晚到达。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，可能有各种其它因素无法跟引力波区分开来。例如，脉冲星的自转意外地发生变化，或者脉冲星发出的电磁波遇上了星际电子而放慢了传播速度。因此，“脉冲星计时阵”的概念应运而生：通过长时间监测多颗脉冲星的脉冲到达时间，搜寻引力波引起的不同脉冲星之间的关联信号。
图2. 脉冲星计时阵的艺术想象图（图源：改编自Taylor et al., arXiv:1903.08183）
目前国际上有三大脉冲星计时阵项目：澳大利亚的帕克斯脉冲星计时阵（PPTA）、欧洲脉冲星计时阵（EPTA）和北美洲的NANOGrav。这些探测项目于2005年左右陆续开始运行，至今已经积累了对数十颗脉冲星长达15年的观测数据。
NANOGrav脉冲星阵包含47颗脉冲星，其中45颗有至少3年的观测数据，14颗有12.5年的数据。对这45颗脉冲星的数据进行细致分析后，NANOGrav研究人员发现多颗脉冲星的数据中都出现了一个低频的特征。该团队排除了某些引力波之外的因素，比如数据采集过程中的纰漏和太阳系内某些天体对脉冲星信号传播的干扰。
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。
作者简介
朱兴江，现为澳大利亚莫纳什大学Research Fellow, 2015年博士毕业于西澳大学物理系，从事引力波天体物理相关研究。2013年成为帕克斯脉冲星计时阵（PPTA）成员，2019至2020年间曾担任国际脉冲星计时阵（IPTA）指导委员会委员。2012年起为LIGO科学合作组织成员。