1月11日，據(jù)國外媒體報道，北美納赫茲引力波天文臺(NANOGrav)宣稱，其發(fā)現(xiàn)了一個可能來源于低頻引力波的信號特征，如果被證實，這將是引力波天文學(xué)的又一大里程碑。

NANOGrav發(fā)現(xiàn)的信號來自遙遠(yuǎn)的脈沖星。這些脈沖星是快速旋轉(zhuǎn)的致密天體，它的兩極發(fā)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(yuǎn)鏡收集了可能由引力波產(chǎn)生的信號數(shù)據(jù)，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于《天體物理學(xué)快報》。

“這個消息非常令人興奮，但研究結(jié)果有待進(jìn)一步驗證。”中國科學(xué)院國家天文臺研究員張承民在接受科技日報記者采訪時表示。

找到脈沖星信號時間差

“數(shù)據(jù)中出現(xiàn)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(xué)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(xiàn)身，為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，屬于高頻引力波。而NANOGrav尋找的引力波信號，頻率為納赫茲，波長跨越幾個光年的尺度，屬于低頻引力波。”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于研究早期宇宙歷史、驗證大爆炸理論、獲得超大質(zhì)量黑洞碰撞并合信息、研究星系合并以及進(jìn)一步研究宇宙各種引力波類型的性質(zhì)等具有重要意義。

引力波被稱為時空的漣漪。天文學(xué)家不能通過望遠(yuǎn)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沖星信號。脈沖星是一種我們能探測到的、可靠的宇宙計時器。這些小而稠密的致密天體快速旋轉(zhuǎn)，以精確的時間間隔發(fā)出射電波脈沖。

而引力波則會對這種規(guī)律性造成干擾，因為引力波產(chǎn)生的時空漣漪會使時空產(chǎn)生微小的拉伸和收縮。這些時空漣漪會導(dǎo)致脈沖星信號到達(dá)地球的實際時間與預(yù)期時間之間出現(xiàn)極小的偏差。

NANOGrav就是通過研究散布在銀河系中許多毫秒脈沖星發(fā)出的規(guī)律信號的時間特征，即所謂的脈沖星計時陣列，來探測由于引力波拉伸和收縮時空而引起的時間微小變化，進(jìn)而獲得引力波存在的線索。

被選中的星可謂百里挑一

據(jù)介紹，NANOGrav通過研究47顆旋轉(zhuǎn)最穩(wěn)定的毫秒脈沖星創(chuàng)建了脈沖星計時陣列。

為何是這47顆脈沖星?因為，并非所有的脈沖星都能用來探測這種低頻引力波信號，只有旋轉(zhuǎn)最穩(wěn)定、被研究時間較長的脈沖星才能實現(xiàn)探測需求。這些脈沖星每秒旋轉(zhuǎn)數(shù)百次，具有難以置信的穩(wěn)定性，如此才能保證探測引力波所需的精度。

“目前，天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)3000多顆射電脈沖星。普通脈沖星的穩(wěn)定性不夠，但毫秒脈沖星的穩(wěn)定性非常高，高到幾億年甚至幾十億年才會慢一秒，所以可以利用毫秒脈沖星進(jìn)行高精度測量。”張承民解釋道，目前發(fā)現(xiàn)的毫秒脈沖星數(shù)量在400顆左右，天文學(xué)家會進(jìn)一步從中挑出非常穩(wěn)定的脈沖星作為觀測對象，這47顆毫秒脈沖星便來源于此。

NANOGrav表示，在其所研究的47顆脈沖星中，有45顆擁有至少3年的數(shù)據(jù)集用于分析。在此次研究中，研究人員在這些數(shù)據(jù)集中發(fā)現(xiàn)了一種低頻噪聲特征，這種特征在多個脈沖星上都是相同的。他們所發(fā)現(xiàn)的時間變化如此之小，以至于在研究任何單個脈沖星時，證據(jù)都不明顯。但作為整體時，這些不明顯的證據(jù)便意味著一個重要的信號特征。

“脈沖星的運動互相之間本來并沒有相關(guān)性，但引力波穿過銀河系會使它們的運動出現(xiàn)一種相關(guān)性或規(guī)律性。這項研究是希望把各種噪聲排除，把這種規(guī)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(jié)論還需幾年

NANOGrav聲稱，新發(fā)現(xiàn)的信號特征已排除一些引力波以外的來源，比如來自太陽系物質(zhì)的干擾或者數(shù)據(jù)收集中的某些錯誤等。

為了驗證這一疑似低頻引力波信號，研究人員必須在不同脈沖星數(shù)據(jù)之間找到一種獨一無二的相關(guān)性——兩顆脈沖星數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)程度和它們相對地球的天空方位有關(guān)。但由于信號太弱，目前還沒有發(fā)現(xiàn)這種相關(guān)性的顯著證據(jù)，增強(qiáng)信號則需要NANOGrav擴(kuò)展它的數(shù)據(jù)集，以包括數(shù)量更多、研究時間更長的脈沖星，這就需要增加望遠(yuǎn)鏡陣列的靈敏度。此外，通過將NANOGrav的數(shù)據(jù)與其他脈沖星計時陣列實驗的數(shù)據(jù)匯集在一起，開展國際脈沖星計時陣列(IPTA)合作計劃可能會有助于揭示這種特殊的相關(guān)性。

目前，NANOGrav正在開發(fā)新的技術(shù)，以確保檢測到的信號并非來自其他來源。他們正在建立一種計算機(jī)模型，幫助檢測信號是否是由引力波以外的效應(yīng)引起，以避免錯誤判斷。

“用脈沖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(shù)據(jù)，但得到確切的結(jié)論可能還需要幾年的時間。”NANOGrav現(xiàn)任主席斯科特·蘭森說。

需要更多大型望遠(yuǎn)鏡的加入

這個信號是否真的來源于低頻引力波?張承民認(rèn)為：“目前的研究結(jié)果還處于初步階段，暫時不能蓋棺定論。”

“這項研究實際上是分析了40多顆毫秒脈沖星的觀測數(shù)據(jù)，是數(shù)據(jù)處理的結(jié)果。計時數(shù)據(jù)處理方法、毫秒脈沖星的選擇對研究結(jié)果會產(chǎn)生巨大的影響。要證實確實是低頻引力波信號，還需要進(jìn)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(shù)據(jù)積累和數(shù)據(jù)分析。加入觀測的大型望遠(yuǎn)鏡數(shù)量越多，望遠(yuǎn)鏡靈敏度越高，數(shù)據(jù)的質(zhì)量就越高，可靠的數(shù)據(jù)積累就越多，進(jìn)而誤差就越小，數(shù)據(jù)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(yuǎn)鏡對毫秒脈沖星進(jìn)行監(jiān)測。通過全球其他射電望遠(yuǎn)鏡的加入，為研究團(tuán)隊提供更多優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)，未來是有可能對這項發(fā)現(xiàn)進(jìn)行進(jìn)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(yuǎn)鏡和阿雷西博望遠(yuǎn)鏡的觀測數(shù)據(jù)。而305米口徑的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡最近卻垮塌了。

NANOGrav表示，研究團(tuán)隊將尋求其他數(shù)據(jù)來源，并加強(qiáng)與國際同行的合作。但失去阿雷西博望遠(yuǎn)鏡，還是會對NANOGrav在未來描述這種背景噪聲并探測引力波信號造成影響。

“阿雷西博望遠(yuǎn)鏡的精度比較高，它的垮塌使新的數(shù)據(jù)積累受到影響，加大了驗證的難度。未來，研究團(tuán)隊需要聯(lián)合其他望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測，對這項發(fā)現(xiàn)進(jìn)行進(jìn)一步檢驗。”張承民說。(劉園園)