通過“宇宙計時器”尋找低頻引力波
通過“宇宙計時器”尋找低頻引力波
天文學家已發現疑似信號，但結果尚不能蓋棺定論
LIGO探測到的引力波，頻率在幾十赫茲到幾百赫茲，屬於高頻引力波。而NANOGrav尋找的引力波信號，頻率爲納赫茲，波長跨越幾個光年的尺度，屬於低頻引力波。
張承民
中國科學院國家天文臺研究員
1月11日，據國外媒體報道，北美納赫茲引力波天文臺(NANOGrav)宣稱，其發現了一個可能來源於低頻引力波的信號特徵，如果被證實，這將是引力波天文學的又一大里程碑。
NANOGrav發現的信號來自遙遠的脈衝星。這些脈衝星是快速旋轉的緻密天體，它的兩極發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鏡收集了可能由引力波產生的信號數據，相關研究結果發表於《天體物理學快報》。
“這個消息非常令人興奮，但研究結果有待進一步驗證。”中國科學院國家天文臺研究員張承民在接受科技日報記者採訪時表示。
找到脈衝星信號時間差
“數據中出現的信號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，科學家已利用激光干涉儀引力波天文臺(LIGO)和歐洲室女座引力波天文臺(Virgo)多次探測到引力波信號。疑似低頻引力波信號的現身，爲何依然令人如此激動？
“LIGO探測到的引力波，頻率在幾十赫茲到幾百赫茲，屬於高頻引力波。而NANOGrav尋找的引力波信號，頻率爲納赫茲，波長跨越幾個光年的尺度，屬於低頻引力波。”張承民表示，從頻率來看，兩者相差十多個量級。
張承民介紹，探測納赫茲引力波信號對於研究早期宇宙歷史、驗證大爆炸理論、獲得超大質量黑洞碰撞併合信息、研究星系合併以及進一步研究宇宙各種引力波類型的性質等具有重要意義。
引力波被稱爲時空的漣漪。天文學家不能通過望遠鏡直接“看”到它，但可以通過測量其穿過時空時造成的影響——物體精確位置的微小變化，來尋找它。
NANOGrav選擇的研究對象是脈衝星信號。脈衝星是一種我們能探測到的、可靠的宇宙計時器。這些小而稠密的緻密天體快速旋轉，以精確的時間間隔發出射電波脈衝。
而引力波則會對這種規律性造成干擾，因爲引力波產生的時空漣漪會使時空產生微小的拉伸和收縮。這些時空漣漪會導致脈衝星信號到達地球的實際時間與預期時間之間出現極小的偏差。
NANOGrav就是通過研究散佈在銀河系中許多毫秒脈衝星發出的規律信號的時間特徵，即所謂的脈衝星計時陣列，來探測由於引力波拉伸和收縮時空而引起的時間微小變化，進而獲得引力波存在的線索。
被選中的星可謂百裡挑一
據介紹，NANOGrav通過研究47顆旋轉最穩定的毫秒脈衝星創建了脈衝星計時陣列。
爲何是這47顆脈衝星？因爲，並非所有的脈衝星都能用來探測這種低頻引力波信號，只有旋轉最穩定、被研究時間較長的脈衝星才能實現探測需求。這些脈衝星每秒旋轉數百次，具有難以置信的穩定性，如此才能保證探測引力波所需的精度。
“目前，天文學家已發現3000多顆射電脈衝星。普通脈衝星的穩定性不夠，但毫秒脈衝星的穩定性非常高，高到幾億年甚至幾十億年纔會慢一秒，所以可以利用毫秒脈衝星進行高精度測量。”張承民解釋道，目前發現的毫秒脈衝星數量在400顆左右，天文學家會進一步從中挑出非常穩定的脈衝星作爲觀測對象，這47顆毫秒脈衝星便來源於此。
NANOGrav表示，在其所研究的47顆脈衝星中，有45顆擁有至少3年的數據集用於分析。在此次研究中，研究人員在這些數據集中發現了一種低頻噪聲特徵，這種特徵在多個脈衝星上都是相同的。他們所發現的時間變化如此之小，以至於在研究任何單個脈衝星時，證據都不明顯。但作爲整體時，這些不明顯的證據便意味着一個重要的信號特徵。
“脈衝星的運動互相之間本來並沒有相關性，但引力波穿過銀河系會使它們的運動出現一種相關性或規律性。這項研究是希望把各種噪聲排除，把這種規律運動的信息尋找出來，從而找出低頻引力波信號。”張承民說。
得到確切結論還需幾年
NANOGrav聲稱，新發現的信號特徵已排除一些引力波以外的來源，比如來自太陽系物質的干擾或者數據收集中的某些錯誤等。
爲了驗證這一疑似低頻引力波信號，研究人員必須在不同脈衝星數據之間找到一種獨一無二的相關性——兩顆脈衝星數據的關聯程度和它們相對地球的天空方位有關。但由於信號太弱，目前還沒有發現這種相關性的顯著證據，增強信號則需要NANOGrav擴展它的數據集，以包括數量更多、研究時間更長的脈衝星，這就需要增加望遠鏡陣列的靈敏度。此外，通過將NANOGrav的數據與其他脈衝星計時陣列實驗的數據彙集在一起，開展國際脈衝星計時陣列(IPTA)合作計劃可能會有助於揭示這種特殊的相關性。
目前，NANOGrav正在開發新的技術，以確保檢測到的信號並非來自其他來源。他們正在建立一種計算機模型，幫助檢測信號是否是由引力波以外的效應引起，以避免錯誤判斷。
“用脈衝星計時陣列探測引力波需要耐心。我們正在分析十幾年的數據，但得到確切的結論可能還需要幾年的時間。”NANOGrav現任主席斯科特·蘭森說。
需要更多大型望遠鏡的加入
這個信號是否真的來源於低頻引力波？張承民認爲：“目前的研究結果還處於初步階段，暫時不能蓋棺定論。”
“這項研究實際上是分析了40多顆毫秒脈衝星的觀測數據，是數據處理的結果。計時數據處理方法、毫秒脈衝星的選擇對研究結果會產生巨大的影響。要證實確實是低頻引力波信號，還需要進一步驗證。”張承民說。
他告訴記者，低頻引力波的探測需要高精度測量，而且需要長時間的數據積累和數據分析。加入觀測的大型望遠鏡數量越多，望遠鏡靈敏度越高，數據的質量就越高，可靠的數據積累就越多，進而誤差就越小，數據的可靠性也就越高。
張承民介紹，除了北美，目前澳大利亞、歐洲都有望遠鏡對毫秒脈衝星進行監測。通過全球其他射電望遠鏡的加入，爲研究團隊提供更多優質數據，未來是有可能對這項發現進行進一步驗證的。
不過也有個不好的消息，在整個研究過程中，NANOGrav利用了美國綠岸射電望遠鏡和阿雷西博望遠鏡的觀測數據。而305米口徑的阿雷西博望遠鏡最近卻垮塌了。
NANOGrav表示，研究團隊將尋求其他數據來源，並加強與國際同行的合作。但失去阿雷西博望遠鏡，還是會對NANOGrav在未來描述這種背景噪聲並探測引力波信號造成影響。
“阿雷西博望遠鏡的精度比較高，它的垮塌使新的數據積累受到影響，加大了驗證的難度。未來，研究團隊需要聯合其他望遠鏡進行觀測，對這項發現進行進一步檢驗。”張承民說。