星探波了脉冲吗测到引力

本文选自 《物理》 2021年第4期jlb

通过监测多个脉冲星的脉冲无线电脉冲，天文学家可能已经发现了背景引力波信号。星探jlb

想象一下，引力如果你能把引力波探测器延伸到银河系的脉冲边缘？NANOGrav就是这样一个组织，它通过监测河内几颗脉冲星的星探到达时间来测量距离的变化。2020年，引力NANOGrav声称脉冲的脉冲到达时间波动，这可能是星探纳赫兹引力波的证据。黑洞的引力合并可以产生这种引力波，但不排除其他波源，脉冲包括宇宙弦和早期宇宙中黑洞的星探形成。如果NANOGrav信号真的引力来源于引力波，未来五年的进一步观测或许可以区分这些模型。jlb

脉冲星是快速旋转的中子星，它们的辐射束以相等的间隔扫过地球，就像灯塔一样。1974年，赫尔斯和泰勒发现了由双中子星辐射的引力波引起轨道变化的观测证据。2015年，LIGO成功探测到臂长的微小变化，从而直接测量引力波1)。NANOGrav监测天空中的45颗脉冲星，寻找在几千光年的距离上由空间扭曲引起的类似效应。当引力波在地球和一颗毫秒脉冲星之间通过时，距离的变化会影响脉冲星辐射束到达地球的时间。jlb

基于对12.5年数据的分析，NANOGrav给出了2020年年度尺度上的时序波动。所有脉冲星都表现出这种波动，从而消除了脉冲星本身的定时噪声。NANOGrav的Joseph Simon说，“脉冲星之间无法相互通信来协调它们的行为”，宇宙随机背景中的引力波可能会引起这种波动。CERN的Kai Schmitz说：“测量背景引力波将是引力波天文学的一个重要里程碑。jlb

NANOGrav的结果仍有疑问。西蒙说，“我有信心信号是真的”，但承认引力波的解释需要进一步研究。只有引力波才能导致脉冲到达时间残差的四极相关。jlb

如果信号真的来自引力波，自然的解释是黑洞合并了。为了产生纳赫兹引力波，合并黑洞的质量比Virgo处女座测量的黑洞重数百万倍。天文学家知道超大质量黑洞存在于大多数星系的中心。因为星系合并，超大质量黑洞也会合并。Schmitz认为这里存在不确定性，比如黑洞是否能形成闭合轨道并产生引力波。jlb

其他引力波源也是可能的。Schmitz和他的同事认为NANOGrav数据可以用宇宙弦来解释。宇宙弦是一维致密物体，预计在宇宙早期相变时产生，在空间中纵横交错。随着时间的演化，宇宙弦相互碰撞或相交，形成闭环，振荡产生引力波。根据该模型，这个闭环将在宇宙历史中形成，并将延伸到几光年并产生低频引力波。华沙大学的Marek Lewicki说：“如果你看到纳赫兹信号，它很可能是宇宙弦”；他与伦敦国王学院的约翰埃利斯合作，对宇宙弦引力波背景进行建模，这与Schmitz等人的结果一致。jlb

第三种解释与原始黑洞有关。据推测，它可能形成于早期宇宙，辐射引力波。日内瓦大学的加布里埃尔弗朗西斯利尼解释说，引力波的频率与黑洞的质量有关。NANOGrav的纳米赫兹信号对应于一个黑洞，其质量在太阳质量的0.1到0.01倍之间。Franciolini等人建立了一个模型，原来黑洞的质量可以从太阳分布到小行星，其总质量相当于暗物质的质量。这个建议的吸引力在于，它不仅可以解释NANOGrav观测，还可以解释暗物质。一些模型还认为，原始黑洞的质量分布在太阳质量的几千到几百万倍之间。它们不太可能是暗物质，但它们有助于解开超大质量黑洞形成的谜团。jlb

NANOGrav团队还将确认信号的真实性。2020年12月，由于阿雷西博望远镜坍塌，合作中断。该团队正在与欧洲和澳大利亚的脉冲星计时阵列成员比较数据。利用500米望远镜FAST，中国脉冲星计时阵列(CPTA)于2019年开始积累数据。Simon认为，如果信号是真的，在未来五年积累更多的数据将区分不同的模型。施密茨说：“脉冲星计时天文学前景光明”；如果年轻学生规划他们的职业生涯，他会建议做这项研究。jlb

注：1)详见徐仁新译。引力波第一次被探测到。物理，2016，45 (3): 195。jlb