包括中国天眼在内的多个团队发现超低频引力波关键证据
2023年6月29日，多个国际脉冲星计时观测项目组相继宣布已经发现了纳赫兹引力波存在的关键证据，标志着引力波天文学领域又迎来了一项重要突破。这将为人类解密宇宙哪些奥秘？
作者| 王凌风，张鑫
引力波是时空本身的涟漪，它携带着引力波源的信息，在宇宙中畅通无阻地传播，为人类带来了无法通过光信号传递的信息。
此前我们所探测到的引力波主要是由相互绕转的致密双星（如恒星质量黑洞、中子星等）产生的，它们产生的引力波辐射频率较高，可以通过地球上的大型激光干涉仪进行探测。
除了这些引力波，还存在一类频率较低且持续辐射的引力波，它们形成了宇宙中持续存在的背景噪声，被称为“随机引力波背景”。
关于随机引力波背景的起源，理论上存在多种可能性，主要可以分为宇宙学起源和天文学起源两类。宇宙学起源的引力波背景是指宇宙早期的一些过程（如宇宙暴胀、相变、宇宙弦等）所产生的引力波；天文学起源的引力波背景主要由众多超大质量双黑洞的并合过程所产生，它们非相干地叠加在一起，形成了引力波的噪声背景。
双黑洞绕转并合产生引力波的艺术效果图，图片取自NANOGrav官网
随机引力波背景主要处于低频和超低频的波段。要想探测到超低频引力波（频率大致在微赫兹至纳赫兹之间，通常称为纳赫兹波段），需要建立一个星系尺度的引力波探测器。这样的探测器可以由银河系中众多毫秒脉冲星组成的阵列提供，被称为脉冲星计时阵列（PTA）。
毫秒脉冲星是一种非常稳定的脉冲星，它们自转速度极快，每秒可达几百次，并从两极发射出强烈的电磁辐射。当射电波段的电磁辐射经过地球时，我们可以利用射电望远镜接收到这些具有稳定周期的脉冲信号。由于信号到达时间极为精确，我们可以利用这种方法进行精确计时。
当引力波经过地球和脉冲星时，它们会改变时空的曲率，导致脉冲星与地球之间的距离发生变化，进而影响脉冲信号的到达时间。通过同时监测由许多脉冲星组成的阵列，并分析它们之间的相关性，我们可以提取出超低频引力波的信号。
脉冲星艺术效果图，图片取自网络
脉冲星计时阵列艺术示意图，图片取自Physics Today
自从脉冲星计时方法被提出以来，过去的三十年间科学家们对于将脉冲星计时用于引力波探测的探索从未停歇。
目前，国际上的脉冲星计时观测项目组主要包括北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）、欧洲脉冲星计时阵列（EPTA）、澳洲帕克斯脉冲星计时阵列（PPTA）、中国脉冲星计时阵列（CPTA，使用中国天眼FAST的观测数据）、南非脉冲星计时阵列（SAPTA）和印度脉冲星计时阵列（InPTA）。
NANOGrav、EPTA和PPTA项目组的望远镜
中国天眼FAST，图片取自网络
2023年6月29日，CPTA、NANOGrav、EPTA和PPTA项目组在arXiv预印本网站上同时发布了相关论文，展示了他们在随机引力波背景探测方面的新发现[1-4]。
这些项目组都观测到了与随机引力波背景相一致的空间相关性信号，其置信度水平至少达到2西格玛。其中，CPTA合作组以4.6西格玛的置信度水平（误报率小于五十万分之一）探测到了引力波背景所引起的四极相关信号。
这些论文的结果表明，人类开始了超低频引力波的探测，并且验证了脉冲星计时探测方法的可靠性。
CPTA项目组文章中展示的引力波四极关联信号（HD曲线）和天眼探测示意图
对于这些引力波背景信号的起源，所有项目组都未能给出确定的答案。
多数论文的分析表明，这些引力波背景信号既能用宇宙学起源来解释，也能用天文学起源来解释。想要进一步确定这些信号的起源，需要更长的观测时长和更先进的观测技术，这将是PTA探测项目组下一步工作的重点。
此次发布的研究成果对超低频引力波的随机背景进行了探测。随着射电望远镜灵敏度的不断提升和观测数据的积累，我们有望未来探测到由单个超大质量双黑洞并合所产生的超低频引力波。
这些事件的探测将是极具挑战性的，但也将带来丰厚的科学回报。通过探测这些引力波事件，我们可以揭示超大质量黑洞和星系的起源和演化。此外，这些超低频引力波事件的探测还有助于研究宇宙的演化。
最近国内的一项研究[5]表明，来自超大质量双黑洞的超低频引力波可以用作标准汽笛，相比于恒星质量双黑洞并合事件，它们的信噪比要高得多。因此，只需少量这样的标准汽笛数据，就可以在暗能量状态方程和哈勃常数的精确测量方面发挥重要作用。
模拟的超低频引力波标准汽笛数据对宇宙学参数的限制结果。左图为亮汽笛数据对暗能量的测量，右图为暗汽笛数据对哈勃常数的测量。图片取自文献[5]。
总之，人类已经开启了超低频引力波探测的大门，这将进一步为天文学的发展提供强大的推动力。相信在不久的将来，更成熟的引力波探测技术将帮助我们解开宇宙的更多奥秘。
参考文献
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