通過(guò)監(jiān)測(cè)多顆脈沖星的射電脈沖，天文學(xué)家可能發(fā)現(xiàn)了背景引力波信號(hào)

想象一下，能將引力波探測(cè)器延伸至銀河系的邊緣嗎？北美納赫茲引力波天文臺(tái)(NANOGrav)正是這樣的組織，通過(guò)監(jiān)測(cè)河內(nèi)若干脈沖星的脈沖到達(dá)時(shí)間來(lái)測(cè)量距離的改變。2020年NANOGrav宣稱發(fā)現(xiàn)脈沖到達(dá)時(shí)間出現(xiàn)漲落，可能是納赫茲引力波的證據(jù)。黑洞合并可產(chǎn)生這種引力波，但不排除其他波源，包括宇宙弦、宇宙早期黑洞形成等。若NANOGrav信號(hào)確實(shí)源于引力波，則未來(lái)5年進(jìn)一步觀測(cè)或能區(qū)分這些模型。

脈沖星是快速旋轉(zhuǎn)的中子星，其輻射束等間隔地掃過(guò)地球，恰如燈塔。1974年，Hulse和Taylor發(fā)現(xiàn)雙中子星輻射引力波導(dǎo)致軌道改變的觀測(cè)證據(jù)。2015年，激光干涉儀LIGO成功探測(cè)到臂長(zhǎng)的微小變化，從而直接測(cè)量引力波1)。NANOGrav監(jiān)測(cè)天區(qū)內(nèi)45顆脈沖星，尋找?guī)浊Ч饽昃嚯x上空間扭曲而產(chǎn)生的類似效應(yīng)。當(dāng)引力波在地球和一顆毫秒脈沖星之間穿越時(shí)，距離的改變將影響那顆脈沖星輻射束到達(dá)地球的時(shí)間。

基于12.5年數(shù)據(jù)的分析，NANOGrav于2020年給出年尺度上的計(jì)時(shí)漲落。所有脈沖星均顯示這一漲落，因而排除脈沖星自身計(jì)時(shí)噪聲。NANOGrav的Joseph Simon說(shuō)：“脈沖星無(wú)法相互溝通來(lái)協(xié)調(diào)它們的行為”，而宇宙隨機(jī)背景引力波可能導(dǎo)致這種漲落。“測(cè)量背景引力波將是引力波天文學(xué)的重要里程碑”，CERN的Kai Schmitz說(shuō)。

NANOGrav結(jié)果仍然存疑。Simon說(shuō)：“我有信心信號(hào)是真實(shí)的”，但坦承引力波的解釋還需進(jìn)一步研究。只有引力波才會(huì)導(dǎo)致脈沖到達(dá)時(shí)間殘差的四極關(guān)聯(lián)。

若信號(hào)確實(shí)來(lái)自引力波，那自然的解釋就是黑洞并合。為產(chǎn)生納赫茲引力波，并合黑洞的質(zhì)量要比LIGO/Virgo測(cè)得的黑洞重?cái)?shù)百萬(wàn)倍。天文學(xué)家知道，多數(shù)星系的中心存在超大質(zhì)量黑洞。由于星系并合，超大質(zhì)量黑洞也會(huì)并合。Schmitz認(rèn)為這里存在不確定性，如黑洞能否形成密近軌道產(chǎn)生引力波。

其他引力波源也是可能的。Schmitz及其同事認(rèn)為，NANOGrav數(shù)據(jù)可用宇宙弦解釋。宇宙弦為一維致密物體，預(yù)計(jì)在早期宇宙相變時(shí)產(chǎn)生，在空間縱橫交錯(cuò)。隨著時(shí)間的演化，宇宙弦相互碰撞或相交，形成閉環(huán)并振蕩而產(chǎn)生引力波。模型認(rèn)為，閉環(huán)會(huì)在宇宙歷史中形成，至今將延展至數(shù)光年并產(chǎn)生低頻引力波。華沙大學(xué)的Marek Lewicki說(shuō)：“如果您看到納赫茲信號(hào)，很可能是宇宙弦”；他和倫敦國(guó)王學(xué)院John Ellis合作對(duì)宇宙弦引力波背景進(jìn)行了建模，與Schmitz等人結(jié)果一致。

第三種解釋涉及原初黑洞。推測(cè)它可能在早期宇宙形成，并輻射引力波。日內(nèi)瓦大學(xué)Gabriele Franciolini解釋說(shuō)，引力波頻率與黑洞質(zhì)量有關(guān)。NANOGrav看到的納赫茲信號(hào)對(duì)應(yīng)于0.1至0.01倍太陽(yáng)質(zhì)量范圍內(nèi)的黑洞。Franciolini等建立了一個(gè)模型，所形成的原初黑洞質(zhì)量可分布在太陽(yáng)到小行星的質(zhì)量之間，其總質(zhì)量與暗物質(zhì)成分相當(dāng)。此建議的誘人之處在于：它不僅可以解釋NANOGrav觀測(cè)結(jié)果，還可以解釋暗物質(zhì)。也有模型認(rèn)為，原初黑洞的質(zhì)量分布于上千到百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量之間；它們不太可能是暗物質(zhì)，但幫助解決超大質(zhì)量黑洞形成之謎。

NANOGrav團(tuán)隊(duì)還將確認(rèn)信號(hào)的真實(shí)性。2020年12月Arecibo望遠(yuǎn)鏡的倒塌導(dǎo)致合作中斷。團(tuán)隊(duì)正在跟歐洲及澳大利亞的脈沖星計(jì)時(shí)陣成員進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)。利用500米望遠(yuǎn)鏡FAST，中國(guó)脈沖星計(jì)時(shí)陣(CPTA)自2019年開始積累數(shù)據(jù)。Simon認(rèn)為，若信號(hào)是真的，則未來(lái)5年積累更多的數(shù)據(jù)將會(huì)區(qū)分不同模型。Schmitz說(shuō)：“脈沖星計(jì)時(shí)天文前途光明”；如果年輕學(xué)生謀劃職業(yè)生涯，他會(huì)建議從事這一研究。

注：1)詳見：徐仁新 譯.首次測(cè)到引力波.物理，2016，45(3)：195。