探测引力波的新方法
引言：几个团队希望利用银河系中的脉冲星来探测遥远的超大质量黑洞在时空中产生的引力波涟漪。
作者：戴维德·卡斯泰尔维奇
两个超大质量黑洞作为双星对运行的超级计算机模拟，接近合并点。
预计彼此非常接近的超大质量黑洞会产生引力波。
图片来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心/科学照片库
一项国际合作表明，天文学家可能即将探测到来自遥远超大质量黑洞的引力波——比迄今为止发现的黑洞大数百万甚至数十亿倍。几个研究小组的最新结果表明，经过 20 年的努力，通过脉冲星对时空涟漪的影响，他们正在接近一项发现，脉冲星迅速旋转散布在银河系中的废弃恒星。
引力波猎人正在寻找来自脉冲星的信号波动，这些波动将揭示地球如何在引力波的海洋中摆动。就像水中的混沌涟漪一样，这些波浪可能是由于数百对黑洞的综合影响，每对黑洞都位于遥远星系的中心。
引力波如何解决宇宙中一些最深奥的谜团？
到目前为止，国际脉冲星计时阵列（IPTA）合作还没有发现这些引力波的确凿证据。但它的最新分析——使用来自北美、欧洲和澳大利亚合作的汇总数据——揭示了一种“红噪声”形式，具有研究人员预期看到的特征。研究结果于 1 月 19 日发表在《皇家天文学会月报》1 上。
“这是一个重要的里程碑，”德国波恩马克斯普朗克射电天文研究所的天文学家迈克尔克莱默说，他是欧洲团队的主要成员。他补充说，虽然它还没有构成引力波探测，但它是朝着这一目标迈出的必要一步。如果在这个阶段没有看到红噪声，宇宙学家可能不得不重新考虑他们对超大质量黑洞普遍存在及其在宇宙演化中的作用的预测。
位于科瓦利斯的俄勒冈州立大学的射电天文学家、北美小组的负责人泽维尔·西门子同意红外噪声尚未被检测到。 “但这让人放心，”他说。
超越 LIGO
2015 年，路易斯安那州和华盛顿州的激光干涉引力波天文台 (LIGO) 首次直接探测到引力波。 LIGO 的双天线测量了两个黑洞合并的最后时刻产生的波，每个黑洞的质量都是太阳的几十倍。从那时起，LIGO 及其位于意大利的同行 Virgo 已经发现了数十次类似的爆发。这些波在每秒数万到数千个周期的频率上达到峰值——类似于可听声音的较低频率——并且可以在几秒钟甚至几分钟内被感知。
IPTA 合作的脉冲星技术旨在探测以低得多的频率振荡的更持久的引力波，以每年甚至每十年的周期测量（参见“引力波谱”）。这些信号通常来自长期相互绕行的成对黑洞，而不是来自合并。位于埃平的澳大利亚国家望远镜设施的射电天文学家 George Hobbs 说：“这与 LIGO 爆发事件不同，LIGO 爆发事件发生得非常快，特定事件不会再次发生。”
引力波谱：显示物体发出的波的频率以及如何检测它们的图形。
天体物理学家认为，大多数大型星系的中心都有一个超大质量黑洞。当两个星系合并时，它们的中心黑洞最终会下沉到新形成的星系的中心，并开始相互绕行。如果它们离得足够近，它们会发出强烈的引力波。
脉冲星技术在这些引力波扫过我们的银河系时寻找这些引力波，拉伸和压缩将太阳系与称为脉冲星的旋转中子星分开的空间（参见“作为探测器的脉冲星”）。相比之下，LIGO 等天文台在引力波扫过地球时探测到它们。
如何用地球大小的望远镜寻找黑洞？
这种方法具有独特的挑战。 虽然 LIGO 直接测量相距几公里的两个镜子之间距离的微小变化，但地球与脉冲星之间距离的变化无法直接测量，部分原因是数千个引力波波峰和波谷在它们之间传播。 地球和脉冲星“不在同一个波峰或波谷”，摩根敦西弗吉尼亚大学的天文学家 Maura McLaughlin 解释说，他是北美脉冲星合作的主要成员。 “为了估计延迟，我们必须关心引力波对脉冲星和地球的影响。 两者之间的东西抵消了，”麦克劳克林说。
这种变化应该被揭示出来，因为当局部空间被拉伸时，来自脉冲星的周期性信号将花费数十纳秒或多或少的时间才能到达地球。
信号噪声
测量这些延迟需要数十年的艰苦数据收集，然后在超级计算机上进行数周的数字运算。它依赖于被称为脉冲星的中子星的奇异物理学。
许多中子星——质量超过太阳质量的恒星的坍缩核心聚集成一个直径只有 20 公里左右的球体——从它们的磁极喷出辐射。当中子星自转时，辐射束像灯塔的旋转光一样环绕四周。其中一些光束恰好穿过地球的太空路径，并被检测为定期脉动的辐射。在 1970 年代后期，一些天文学家指出，由于它们以高度规则的间隔出现，其中一些信标可以作为引力波探测器。
脉冲星作为探测器：显示脉冲星如何用于探测来自双黑洞的引力波的信息图。
尼克斯宾塞/自然；银河系：NASA/JPL-Caltech/R。伤害（SSC/加州理工学院）
但是脉冲星信号是嘈杂的，并且可以被星际电子云减慢或散射。为了克服这个问题，天文学家必须尽可能多地比较来自这些信标的信号，形成一个“脉冲星计时阵列”。
太阳系质心的基线位置——受行星运动的影响——必须计算到小于 100 米的精度。
在过去的十年里，由于美国宇航局的朱诺和卡西尼号任务对木星和土星的位置进行了测量，这些估计有了很大的改善。这些修正让一些天文学家放心：较早的、不太精确的测量，加上一些过于保守的假设，让一些人担心预期的引力波背景不存在。
但随着时间的推移，研究人员积累了更多的数据并改进了他们的技术。在 2020 年和 2021 年，这三个合作中的每一个都开始看到引力波背景的迹象2、3、4。普通的“白”噪声包括所有频率的随机波动，而红噪声在较低频率时更大。当长波长的信号（其周期与现在已经积累的 20 多年的数据相当）开始出现时，预计会出现这种特征。 IPTA 的最新联合分析——通过汇集 65 颗脉冲星的区域合作数据以提高它们对引力波的敏感性——也检测到了红噪声，尽管它没有使用三个小组分别分析的最新数据集在 2020 年和 2021 年。
这一发现并不一定表明存在引力波。克莱默警告说，“红噪声也可能由其他事物产生”，例如旋转脉冲星逐渐减速的方式中以前未曾预料到的模式。
在意大利卡利亚里天文台工作的欧洲小组的主要成员、射电天文学家安德里亚·波森蒂说，要宣称发现，“缺少一个关键组成部分”。 “这些长期信号必须从一个脉冲星到另一个脉冲星相关联。”
霍布斯同意，他说：“我个人希望在打开香槟瓶之前做更多的检查。”
意大利米兰比可卡大学的天体物理学家莫妮卡科尔皮说，如果引力波背景被发现，“科学回报将是巨大的”。她说，从这些信号中，研究人员最终可以获得有关黑洞如何与其星系中的暗物质、恒星和气体云相互作用的信息。
受损的阿雷西博天文台鸟瞰图
2020 年 12 月倒塌的波多黎各阿雷西博天文台的射电望远镜是国际脉冲星计时阵列的一部分。图片来源：Ricardo Arduengo/AFP/Getty
2020 年 12 月，全球寻找海浪的努力受到打击，当时在测量脉冲星方面发挥了重要作用的古老的 300 米阿雷西博天文台倒塌。从那时起，北美团队将部分工作转移到其另一个主要设施，即位于西弗吉尼亚州的 100 米高的绿岸望远镜。西门子说“我们已经放弃了一些较弱的脉冲星，并且在我们的数据集中存在几个月的差距，但总而言之，我们正在尽我们所能经受住 [Arecibo] 的损失”。
未来的努力将受益于印度和南非主要射电天文台收集的脉冲星计时数据。最终，中国的五百米口径球面射电望远镜也有望加入。
研究人员表示，预计在今年或明年发布的下一篇 IPTA 论文可以使用已经存在的数据来确认发现了超大质量黑洞产生的引力波背景。克莱默说：“现在时机已经成熟，将所有这些结合起来并进行检测。”
doi：https://doi.org/10.1038/d41586-022-00170-y
参考文献：
1. Antoniadis, J. et al. Mon. Not. R. Astron. Soc. 510, 4873–4887 (2022).
2. Arzoumanian, Z. et al. Astrophys. J. Lett. 905, L34 (2020).
3. Goncharov, B. et al. Astrophys. J. Lett 917, L19 (2021).
4. Chen, S. et al. Mon. Not. R. Astron. Soc. 508, 4970–4993 (2021).
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