赞！人类首次探测到了低频引力波的存在，那这会意味着什么？

摘要：我们在北美纳赫兹引力波天文台收集的12.5年脉冲星计时数据中寻找各向同性随机引力波背景（GWB）。我们的分析发现了一个随机过程的有力证据，以幂律建模，发现各脉冲星之间具有共同的振幅和谱斜率。在这个基准模型中，贝叶斯后验f−2/3 幂律谱的振幅，表现为特征性GW应变，中位数为1.92×10-15，5%-95%的分位数为1.37-2.67×10-15，每个脉冲星超过10000的贝叶斯因子的参考频率支持共谱过程而不是独立的红噪过程在。

然而，我们没有发现显著的统计证据表明这一过程具有宣称符合广义相对论的GWB检测所必须的四极空间相关性。我们发现，这一过程既不存在可能来自于基准时钟的单极相关，也不存在可能由太阳系星历系统引起的偶极相关。后端振幅在先前报道的上限以上有显著的支持；我们用脉冲星固有的红噪声呈现的贝叶斯先验来解释这一点。基于信号确实为天体物理范畴的假设下，我们检查了超大质量黑洞双星种群的潜在影响。

简介：北美纳赫兹引力波观测站的一个研究小组宣称在阿雷西博望远镜的数据库中找到了一段极有可能是低频引力波的信号，这是人类首次探测到低频引力波。小组利用脉冲星的灯塔属性测量脉冲信号是否有被延迟或加速，以此判别是否受到引力波影响。

在过去的13年里，有一群天文学家致力于观察宇宙中旋转着的恒星发出的信号，企图在时空中捕捉微弱的弯曲涟漪，亦即引力波。

图解：质量（能量）的存在会使时空发生弯曲。引力波就是时空曲率的变化以波的形式向外传输。图源：新浪。

终于，他们探测到了可能是人类史上第一次发现的提示为低频引力波的信号。

来自北美纳赫兹引力波观测天文台（简称NANOGrav）的团队发布了这一探测收获，他们声称发现了一种可能来自低频引力波的微弱信号，这是低频引力波首次被人类捕捉，而令人瞩目的是，这些数据竟都来自现已不复存在的阿雷西博天文台。

这一新发现在发表于《天文学杂志》一月期刊的该项研究中进行了详细说明，这将对未来人类对宇宙的观测——或说如果倾听宇宙的声响，产生深远而巨大的影响。

以下为研究背景——2015年9月15日，科学家们首次观测到了来自引力波的信号。这一信号是由13亿年前两个黑洞的碰撞融合产生的时空涟漪。

人类利用激光干涉引力波天文台（简称LIGO）首次探测到引力波的存在是由两个大质量黑洞相撞，在时空中产生涟漪的结果。

引力波是由宇宙中加速运动的大质量天体对时空产生的曲率变化，以波的形式向外光速传播产生的。如果说电磁辐射或可见光是天文学家观测宇宙的方式，那么引力波就是他们倾听宇宙的途径。

使用激光干涉引力波天文台（LIGO）和欧洲“室女座”引力波探测器（Vigro），科学家们得以捕捉由引力波产生的信号。

引力波到达地球的时候已经变得相对微弱，并只能持续短短几秒。科学家通过分析这些信号，追溯引力波的来源，收听远古宇宙的残响。这些被探测器捕获到的大部分引力波都是来自于两个黑洞的碰撞。

低频引力波则更为特殊。它们是上亿年前由大量纠缠旋转的黑洞发出的波长更长的信号。

与高频引力波相比，低频引力波是宇宙里亘古恒久的背景噪音。因而它们更难被“收听”到，需要基于数年的数据采集。

科学家们最终是如何成功的呢——NANOGrav是由超过100名来自美国和加拿大的齐心协力致力于追寻低频引力波的天文学家组成的。

天文学家们借助一类叫做脉冲星的中子星实现了对低频引力波的观测。脉冲星是一类密度极大的强磁场星体，它们自身极速旋转的同时不断发射电磁辐射。由于脉冲星本身的特质，其也被科学家们形象地称为“宇宙灯塔”。

图解：脉冲星，就是旋转的中子星，因不断地发出电磁脉冲信号而得名。它具有体积小、密度大，温度高、辐射强，脉冲周期短等特点。图源：搜狐。

脉冲星被称为“宇宙计时员”，他们总是周期性地发射电磁（光）信号。研究表明，任何不规则现象的出现都可能是由引力波引起该时空的伸展和收缩所导致的。

引力波引起的时空涟漪会造成脉冲信号与预计抵达地球的时间产生轻微偏差，提示地球的位置产生了变化。

研究者们曾在波多黎各的阿雷西博天文台密切观测着一组脉冲星，然而2020年12月该天文台发生倒塌，结束了它曾经作为世界上最大的射电望远镜之一的辉煌时代。

图解：阿雷西博天文台，1974年建成，是世界上第二大的单面口径射电望远镜。2020年发生坍塌，现已废止。图源：tooseekto

研究者们同时测量着宇宙中多颗脉冲星发射的射电信号到达地球的时间，这一技术被称为“脉冲星计时阵”，通过脉冲到达时间及其变化来确定地球与星体之间的相对距离。

观测发现——这是目前为止探测到的信号最强的低频引力波。虽然目前科学家们尚不能证实脉冲波到达地球时间的变化是的确由低频引力波引起的，但他们已经排除了其他可能导致此现象的原因（如太阳系中其他物质的干扰等）。

图解：脉冲星计时阵，简称PTA（pulsartimingarray）。地球与脉冲星之间的时空会被通过的引力波弯曲，从而导致脉冲星所发射的脉冲讯号传播至地球的时间有所改变。由毫秒脉冲星组成的脉冲星计时阵列可以用来寻找有关联的改变，从而探测出引力波。图源：kepu.gmw

“能从旧时的数据中挖掘到如此强烈的信号是非常难以置信又振奋人心的发现，”NANOGrav成员、该项目主要研究员约瑟夫·西蒙在一次声明中这样说。

“然而，因为我们寻找的引力波信号贯穿了我们观测期的整个时长，我们需要格外注意分析我们所处环境的声音底噪，”他补充到。

“我们可以完全清楚地排除掉已知的噪音来源，但我们仍不能确定地说信号是否就是来源于引力波。为此，我们需要更多的数据支持，”他说。

接下来如何——这项探测工作耗时数年，但NANOGrav的科学家们可能还要再花几年时间才能确认导致地球位置偏离脉冲星信号的确实是低频引力波。

为了实现这一目标，研究者们必须扩大数据库，加入更多的脉冲星并进行更长期的观测。

与此同时，他们需要排除其他可能导致时空弯曲的原因。NANOGrav的团队通过计算机建模，检验探测到的噪音是否由引力波之外的原因引起。

“用脉冲计时阵探测引力波需要足够的耐心，”国家射电天文台、NANOGrav主席斯科特·兰塞姆在声明中表示。

“我们目前正在分析超过12年的数据，但是想要得出最终确定性的结论仍然还需要几年时间。随着我们更加深入地探测，我们也惊喜地发现目前得到的结果正是我们期待所看到的。”

无论这一发现是否可以证实为人类第一次检测到低频信号波的存在，科学家们无疑会更加密切地关注宇宙中的讯息。

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