图片来源：National Science Foundation News
波长以光年为单位的引力波正席卷银河系，也引起了地球周围时空结构的微妙变化，我们无知无觉，但天体物理学家借助银河系尺度的脉冲星测时阵列，捕捉到了宇宙中的引力波“交响曲”——低频引力波背景辐射。
撰文 | 不周
审校 | clefable
6月29日，中国脉冲星测时阵列（CPTA）、北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）、欧洲脉冲星测时阵列（EPTA）和澳大利亚帕克斯脉冲星测时阵列（PPTA）四个项目的团队，各自独立宣布探测到了纳赫兹引力波存在的证据，开启了天文学的低频引力波研究的新时代。此前，低频引力波一直只存在于理论中。如今，我们终于聆听到了宇宙古老而神秘的“低语”。
我们常用“亘古不变”来形容宇宙，看上去宇宙是静态的，但实际上它无比喧嚣。宇宙中充斥着各种“声音”：宇宙射线、电磁波、中微子以及引力波，它们以不同的方式奏响不同的“乐曲”，等待人类巧妙地将其捕捉，从中窥探宇宙的奥秘。与其他三种“乐曲”探测不同的是，引力波本质上是时空曲率的涟漪，如何探测一直是科学界的难题。直到2015年，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）首次探测到了两个恒星级黑洞并合产生的引力波，此后天文学家在数十起此类事件中捕获了引力波。
特别的“低语”
2015年探测到的引力波是瞬时的高频引力波，其波长大约是数十至数百千米，因此可以用地面长约数千米的激光干涉系统测量。但这次捕捉到的低频引力波背景很是特别。它们的波长长达数十光年，任何地面尺度的探测器都无法感知其信号，科学家只能借用比地球大得多的“尺子”——脉冲星测时阵列来探测这种宇宙的“低语”。
除波长存在巨大差异之外，相比于高频引力波，低频引力波一个波的起伏时间跨度也非常长。即使它是以光速传播，也需要数年甚至数十年才能走过一个波长的长度。这导致测量精度极度依赖于测量时间的跨度，NANOGrav、EPTA及PPTA积累了数十年的脉冲星数据，终于给出低频引力波存在的证据。令人惊喜的是，我国CPTA利用强大的“中国天眼”——500米口径球面射电望远镜（FAST）观测脉冲星数据，仅用三年五个月，就发现了想要观测的特征信号，并且误报率低于五十万分之一。
图片来源：中国科学院国家天文台
此外，我们之前在探测百赫兹引力波时能够锁定来源，比如2015年LIGO探测到的引力波是源自两个数十倍太阳质量的黑洞并合。但四个团队搜寻到的低频纳赫兹引力波目前都无法锁定信号源。“它们是宇宙中所有引力波叠加之后的总信号，所有这些信号像噪声一样混杂在一起，形成了引力波背景信号，”中国科学院国家天文台研究员、北京大学科维理天文与天体物理研究所研究员李柯伽说道。他也是CPTA团队研究论文的通讯作者。
用脉冲星充当“耳朵”
目前已知的探测低频引力波的唯一方法是利用毫秒脉冲星。脉冲星是一种非常奇异的中子星，它有着极强的磁场，且会稳定地高速自转。强磁场导致脉冲星会产生周期性快速扫过地球的辐射束，其规律性几乎可以与原子钟的稳定度相媲美，因此可称被“宇宙计时器”。毫秒脉冲星则是其中旋转速度很快的脉冲星，其转速可达到每秒数百次。
概念图：旋转的脉冲星周期性扫过地球的辐射束。下方黄色曲线代表我们观测到脉冲星旋转一周时的亮度变化。
图片来源：Michael Kramer (JBCA, Unversity of Manchester)
倘若地球和脉冲星之间的时空结构被引力波扭曲，那么脉冲星信号一定会比预期稍早或稍晚到达。因此科学家可以通过测量脉冲星信号到达时间的变化来探测引力波，这就是所谓的脉冲星测时。但一颗脉冲星信号到达时间的变化可能受多重因素影响，并不能可靠地指向引力波。我们需要大量脉冲星信号到达时间变化的相关性加以判断，也就是构建脉冲星测时阵列（PTA）。
由于低频引力波引发的时空结构改变极其微弱，其周期也有数年之久，探测脉冲星阵列的物理尺度和时间尺度都需要很大。比如开启项目较早的NANOGrav耗时超过15年，收集了68颗脉冲星的数据，构建了一个巨大的脉冲星测时阵列。他们将银河系变成了一个巨型的引力波天线，并始终持续不间断地观测。
如何探测宇宙“交响曲”——低频引力波。
视频来源：National Science Foundation News
天眼“聆听”的优势
脉冲星是非常微弱的射电源，因此找到合适的脉冲星、且能保证收集到的测时数据的精度其实并不容易。随着望远镜观测技术的提升、数据分析技术的迭代以及理论预测方面的进展，北美NANOGrav、欧洲EPTA、澳大利亚PPTA分别利用各自的大型射电望远镜，分析了长达20年积累的脉冲星测时数据，这才发现了低频引力波存在的证据。而我国CPTA则是在2019年9月正式开始搜寻纳赫兹引力波。
纳赫兹引力波的特性决定了观测时间跨度越长，捕获引力波的灵敏度就越高。很明显，CPTA的观测时间跨度远小于北美、欧洲和澳大利亚团队，但FAST自身的优势弥补了其中的巨大差距。FAST是世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。它收集的脉冲星测时数据的精度极高，比其他国际观测团队的误差要小4~50倍，这可以大幅减少测量误差对引力波探测结果的影响。而FAST的高灵敏度使它异常地擅长监测脉冲星。很快CPTA就借助FAST对57颗高精度的脉冲星进行了长达3年5个月的监测。
2023年6月23日维修保养期间拍摄的“中国天眼”全景。
图片来源：新华社
数据精度、脉冲星数量和数据算法上的优势，正是我们在引力波探测上追平其他国际团队的秘诀。李柯伽解释道，脉冲星数量更多，就可以更清楚地看到引力波导致的四极相关特征（引力波对空间扰动的特征：引力波在压缩空间一个方向的同时会拉伸与该方向垂直的另一个方向。通过识别观测数据中的四极相关特征能够有效区分类似噪声的信号是引力波还是其他噪声过程）。而数据处理算法上，如果数学基础和框架是严格的，那么对信号的探测会达到最好的统计效率，同时对结果的解释也将更为可靠。李柯伽表示，这次共同发布的结果中，CPTA对四极信号的探测置信度是最高的。但由于CPTA的数据长度不够，对引力波参数的测量误差较大。不过，随着时间尺度的增长和观测数据的积累，我们最终会追上其他团队对引力波参数测量的准确性。
寻找宇宙“贝斯手”
在NANOGrav公布观测结果的直播中，科学家将整个宇宙比作了音乐厅，而在近距离轨道上相互绕转的两个超大质量黑洞（亿到千亿倍太阳质量）可能就是“交响乐队”中的“贝斯手”。他们认为这些黑洞会演奏出深沉的低音音符——低频的纳赫兹引力波，交织成宇宙“交响乐”中的低音背景。而这也是目前科学界对低频引力波来源最普遍的推测。
虽然，这种推测也是令人震惊的。“此前有理论研究表明，两个超大质量黑洞并合的时间长于宇宙的年龄，因此理论上并不存在这样致密绕转的双黑洞系统，”李柯伽说道，“但是如果考虑其他因素，双黑洞并合也是有可能发生的。究竟是否存在密近绕转的超大质量双黑洞系统，引力波观测正好可以告诉我们最终答案。这也是纳赫兹引力波探测的驱动力之一。”
而在纳赫兹频段的引力波中，可能不只有潜在的“贝斯手”黑洞，或许还有其他的低频乐器。有理论物理学家提出，宇宙弦——宇宙相变后留下的1维拓扑破缺——可以连接成环，然后通过振动发出低频的引力波。还有科学家推测，早期宇宙形成的原初黑洞在并合时也可能产生低频引力波。
然而，所有的可能性都只是理论推测，需要非常谨慎地考虑。科学家无比希望能从这些低频背景音中辨别出孤立的“音符”，或许是距离我们银河系足够近的超大质量双黑洞系统，这样它们的信号应该能从背景信号中显露出来。不过，这也取决于探测器对信号的敏感度。随着观测时间尺度的增长、脉冲星数量的增加、脉冲星测时精度的提高以及更好地整合数据的技术，我们会越来越擅长识别信号特征，甚至有可能发现新的孤立源。无论如何，这些国际引力波探测组织都将继续“聆听”，为我们揭示宇宙的秘密。
四个国际团队分别于《天文和天体物理学研究》（Research in Astronomy and Astrophysics）、《天文学与天体物理学杂志》（Astronomy & Astrophysics）和《天体物理杂志快报》（Astrophysical Journal Letters）独立地发表了相关观测成果。
本文审校 李柯伽是中国科学院国家天文台研究员、北京大学科维理天文与天体物理研究所研究员，他也是CPTA团队研究论文的通讯作者。
