時空漣漪——引力波
1915年，愛因斯坦提出了廣義相對論，他認為引力是時空扭曲的結果。在過去的一個世紀，廣義相對論的那些看似異想天開的預言，一一被驗證。其中一個最引人注目的預言是，當中子星和黑洞等大質量天體相互碰撞時，時空結構會出現(xiàn)波動。這類事件引發(fā)的漣漪會滲透到時空中，傳播到很遠的地方。
實際上，當遙遠的引力波穿過地球時，它會拉伸或擠壓地球。但這種效應極其微小，以至于在很長一段時間里引力波被認為幾乎不可能被探測到。直到像LIGO和Virgo這類大型精密探測器的出現(xiàn)，才使得探測這些微小的效應成為可能。2015年，LIGO才首次成功直接探測到引力波，這是過去數(shù)十年中天文學界最大的亮點之一。
然而，尋找引力波的故事并未結束。到目前為止，LIGO和Virgo不僅發(fā)現(xiàn)了雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波，還發(fā)現(xiàn)了由雙中子星和黑洞吞噬中子星產(chǎn)生的引力波。除了這些單獨的引力波事件之外，物理學家推測，宇宙中應當還存在一種持續(xù)存在并滲透到整個宇宙時空的背景信號，它也被稱為引力波背景。引力波背景是由在過去幾十億年中，許多對相互環(huán)繞的超大質量黑洞產(chǎn)生的漣漪的疊加。
不是所有的引力波都是一樣的，就像光波具有不同的頻率， 不同來源產(chǎn)生的引力波也具有不同的頻率。例如，遙遠星系中心的超大質量黑洞并合產(chǎn)生的引力波的頻率就比LIGO探測到的雙黑洞并合產(chǎn)生的要低得多。| 圖片來源：ESA
近日，一組國際科學家團隊宣布了他們對毫秒脈沖星的干擾信號的最新探測結果。他們認為，這可能朝證明低頻引力波背景的存在邁出了一大步。
“星系時鐘”
當一顆大質量恒星在耗盡燃料時，其核心最終會坍縮形成宇宙中最致密的天體之一——中子星。中子星的半徑只有約10千米，但是它的質量卻與太陽相當。在宇宙中，它們是除黑洞之外密度最大的天體，一茶匙的中子星上的物質就可重約10億噸。
脈沖星是一種特殊的中子星。從地球上看，脈沖星似乎忽明忽暗。但實際上，當脈沖星高速旋轉時，從兩極發(fā)出射電信號會像燈塔放出的光一樣，以一定的間隔掠過地球。這些信號頻率非常有規(guī)律，甚至可以用作一種“星系時鐘”。最精確的脈沖星，則被稱為毫秒脈沖星，每秒旋轉數(shù)百次。
如果在脈沖星和地球之間有引力波穿過，那么時空的輕微拉伸和擠壓就會在脈沖星正常計時中引入一個微小的偏差。
地球周圍的脈沖星陣。假如宇宙中彌漫著引力波背景，那么脈沖星發(fā)出的脈沖信號在傳播的途中就會受到引力波的干擾。| 圖片來源：Tonia Klein / NANOGrav
這次的新研究來自一個被稱為國際脈沖星計時陣（IPTA）的國際合作組織。在他們發(fā)布的這份最新的官方數(shù)據(jù)集（DR2）中，整合了多個陣列的獨立探測數(shù)據(jù)，囊括了來自65顆毫秒脈沖星的精確計時的信息。
奇怪的擾動
簡單來說，他們從這些脈沖星信號中發(fā)現(xiàn)了一些奇怪的擾動模式。他們認為，這種脈沖星之間的共同信號的特征可能是來自引力波背景的干涉造成的。類似的模式也曾在其他單個數(shù)據(jù)集中被觀察到，而這份整合的數(shù)據(jù)集似乎進一步加強了這個結論。
一些樂觀的科學家認為，這是一個非常激動人心的信號，很有可能說明我們已經(jīng)開始探測到了引力波背景的蛛絲馬跡。
但團隊目前對這一發(fā)現(xiàn)仍持相對保守的態(tài)度。暫時還沒有足夠確切的證據(jù)，他們仍在研究這個信號的其他可能性。例如，也許它可能是由個別脈沖星數(shù)據(jù)中存在的噪聲造成的，而這些噪聲可能在分析中被不恰當?shù)啬M了。
為了確定引力波背景是這個超低頻信號的來源，IPTA還必須探測脈沖星之間的空間相關性。這意味著，每一對脈沖星必須以一種非常特殊的方式對引力波做出反應，而這與它們在天空中的分隔程度有關。
脈沖星對之間的這些特征相關性才是引力波背景探測的確鑿證據(jù)。沒有它們，就很難證明其他一些過程不是造成信號的原因。
這也意味著，科學家必須進一步收集數(shù)據(jù)，擴大監(jiān)測脈沖星的陣列，并繼續(xù)搜索，找到更大的數(shù)據(jù)集。如果隨之而來的是信號變得更為顯著，并表現(xiàn)出空間相關性，這時才能確認引力波背景的存在。
探索宇宙的黃金時代
對來自雙超大質量黑洞或其他宇宙源產(chǎn)生的引力波的探測，可以帶給我們前所未有的信息，比如更好地了解星系如何形成并成長，以及認識在新生宇宙中發(fā)生的宇宙學過程。
一些科學家表示，要實現(xiàn)這一目標，還需要大規(guī)模的國際合作的努力。而未來幾年，我們可能就會迎來探索宇宙的黃金時代。
#創(chuàng)作團隊：
撰文：Takeko
排版：雯雯
#參考來源：
https://www.birmingham.ac.uk/news/latest/2022/01/international-collaboration-offers-new-evidence-of-a-gravitational-wave-background.aspx
https://www.space.com/millisecond-pulsars-gravitational-wave-backgroun
https://academic.oup.com/mnras/article-abstract/510/4/4873/6503453
#圖片來源：
封面圖/首圖：原理
