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最近，包括中國(guó)在內(nèi)的多國(guó)科學(xué)團(tuán)隊(duì)同時(shí)發(fā)表了一系列論文，宣布首次找到了一種超低頻引力波存在的證據(jù)。天文學(xué)家之前檢測(cè)到的引力波的波長(zhǎng)通常為數(shù)十到數(shù)百千米，而這次檢測(cè)到的引力波，其波長(zhǎng)可達(dá)好幾光年。那么，這種“怪物級(jí)”引力波的發(fā)現(xiàn)意味著什么？
文 | 陳強(qiáng)
根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，當(dāng)有質(zhì)量的物體呈加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，它會(huì)在時(shí)空中產(chǎn)生漣漪，從所在的位置以光速向外傳播，這種時(shí)空的漣漪就是引力波。在引力波所經(jīng)過(guò)的地方，時(shí)空會(huì)有節(jié)奏地發(fā)生拉伸和擠壓，其頻率就是引力波頻率。
大部分物體產(chǎn)生的引力波都非常弱，只有那些劇烈的天文學(xué)事件，比如黑洞或中子星的并合，才能產(chǎn)生足夠強(qiáng)的可被我們觀測(cè)到的引力波。在 2015 年 9 月，激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）首次探測(cè)到了兩個(gè)黑洞并合產(chǎn)生的引力波。
從那時(shí)起，地球上的各個(gè)引力波探測(cè)器已經(jīng)捕獲了近 100 個(gè)已確認(rèn)的引力波事件。這些事件都是由中子星或中小型黑洞的合并產(chǎn)生的，它們發(fā)出的引力波是高頻的，所以只需地球上幾千米的探測(cè)器就能檢測(cè)到。如果是更大規(guī)模的天文學(xué)事件，比如星系中心超大質(zhì)量黑洞的合并，發(fā)出的引力波會(huì)是低頻的，頻率處在納赫茲（nanohertz）尺度上，其波長(zhǎng)可以延伸至幾光年。要想檢測(cè)到這種引力波，那就需要超長(zhǎng)的探測(cè)器，大到整個(gè)地球甚至整個(gè)太陽(yáng)系都擺不下。
來(lái)自脈沖星的信號(hào)
幸運(yùn)的是，在我們的銀河系中，有一種天體會(huì)發(fā)出非常精確的脈沖信號(hào)，這些信號(hào)會(huì)受到低頻引力波的影響。
這種天體就是脈沖星，它是一種旋轉(zhuǎn)速度極快的中子星，會(huì)從磁極發(fā)出電磁輻射束。當(dāng)它們旋轉(zhuǎn)時(shí)，這些電磁輻射束像燈塔一樣在宇宙中掃來(lái)掃去。掃過(guò)地球時(shí)，我們就會(huì)檢測(cè)到一個(gè)個(gè)的脈沖信號(hào)。
因?yàn)槊}沖星旋轉(zhuǎn)周期十分穩(wěn)定，我們?cè)诘厍蛏暇蜁?huì)檢測(cè)到間隔穩(wěn)定的脈沖信號(hào)，周期通常為幾毫秒到數(shù)十秒范圍內(nèi)。當(dāng)引力波在地球和脈沖星之間通過(guò)時(shí)，脈沖信號(hào)到達(dá)地球的時(shí)間就被擾亂。
單個(gè)脈沖信號(hào)的擾亂不足以說(shuō)明有引力波經(jīng)過(guò)。如果利用射電望遠(yuǎn)鏡長(zhǎng)期觀測(cè)一批自轉(zhuǎn)穩(wěn)定的脈沖星，并發(fā)現(xiàn)多顆脈沖星產(chǎn)生的信號(hào)在某個(gè)時(shí)候同時(shí)發(fā)生某種規(guī)律性的變化，就代表探測(cè)到了引力波。而這就是世界各地的科學(xué)團(tuán)隊(duì)一直在進(jìn)行的觀測(cè)工作。
“中國(guó)天眼”再次立功
近日，中國(guó)脈沖星測(cè)時(shí)陣列（CPTA）、北美納赫茲引力波天文臺(tái)（NANOGrav）、歐洲脈沖星測(cè)時(shí)陣列（EPTA）和澳大利亞帕克斯脈沖星測(cè)時(shí)陣列（PPTA）利用各自的射電望遠(yuǎn)鏡，分別探測(cè)到了低頻引力波存在的相關(guān)證據(jù)。
其中，中國(guó)脈沖星測(cè)時(shí)陣列的研究團(tuán)隊(duì)利用被譽(yù)為“中國(guó)天眼”的 500 米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST），對(duì) 57 顆毫秒脈沖星進(jìn)行了長(zhǎng)期系統(tǒng)性監(jiān)測(cè)。對(duì) FAST 在 3 年 5 個(gè)月的時(shí)間里收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了低頻引力波存在的證據(jù)。
其他的研究團(tuán)隊(duì)也給出了類似的證據(jù)。需要指出的是，利用脈沖星發(fā)現(xiàn)的引力波，通常不是由一個(gè)單一的天文學(xué)事件產(chǎn)生的，它們是宇宙中累積的所有引力波相合并產(chǎn)生的低頻的時(shí)空漣漪。所以，天文學(xué)家把它們稱之為“引力波背景”。
迄今為止，這些研究工作給出的數(shù)據(jù)，離科學(xué)公認(rèn)的探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)略有差距。因此，從事該項(xiàng)目的天文學(xué)家謙虛地聲稱僅發(fā)現(xiàn)了引力波存在的“證據(jù)”。但是，更多的探測(cè)和數(shù)據(jù)分析還在進(jìn)行中，大多數(shù)天文學(xué)家都相信，在接下來(lái)的一到兩年內(nèi)，這個(gè)研究的最終結(jié)果就能確認(rèn)下來(lái)。
開啟引力波探測(cè)的新篇章
如果真的是低頻引力波的話，那么它們是如何產(chǎn)生的？最明顯的答案是超大質(zhì)量黑洞合并產(chǎn)生的，畢竟每個(gè)星系的中心幾乎都有著超大質(zhì)量黑洞，而星系的合并是很常見的現(xiàn)象。
但它不是低頻引力波的唯一潛在來(lái)源。另一種可能性是宇宙弦。宇宙弦最早是由英國(guó)物理學(xué)家湯姆?基博爾（Tom Kibble）在上個(gè)世紀(jì) 70 年代設(shè)想出來(lái)的，本質(zhì)上是由宇宙膨脹引起的時(shí)空裂縫。宇宙弦可能會(huì)產(chǎn)生扭結(jié)，最終會(huì)折斷，并產(chǎn)生引力波。此外，還有許多奇異的物理機(jī)制，比如某些類型的暗物質(zhì)活動(dòng)、宇宙大爆炸后空間的急速膨脹，所有這些都可能產(chǎn)生低頻的引力波。
利用脈沖星來(lái)檢測(cè)定引力波，不需要 LIGO 那種精密儀器，只需要射電望遠(yuǎn)鏡以及足夠的耐心即可。而這個(gè)新發(fā)現(xiàn)，開啟了引力波探測(cè)的新篇章。通過(guò)分析這種低頻引力波，我們可以“聆聽”到更多宇宙深處的天體和事件。
參考文獻(xiàn)：
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1674-4527/acdfa5
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