近日，包括中国在内的多国科学团队同时发表系列论文，宣布首次发现超低频引力波存在的证据。 天文学家探测到的引力波波长通常为数十到数百公里，但这次探测到的引力波波长可达数光年。 那么这种“怪物级”引力波的发现意味着什么呢？

文|陈强

根据爱因斯坦的广义相对论，当一个有质量的物体以加速度运动时，它会在时空中产生涟漪，这些涟漪从其所在位置以光速向外传播。 这种时空波纹就是引力波。 引力波经过的地方，时空有节奏地拉伸和挤压，其频率就是引力波的频率。

大多数天体产生的引力波都很弱，只有那些剧烈的天文事件，比如黑洞或中子星的合并，才能产生足够强的引力波让我们观测到。 2015年9月，激光干涉引力波天文台（LIGO）首次探测到两个黑洞合并产生的引力波。

此后，地球上各种引力波探测器捕捉到了近百个已确认的引力波事件。 这些事件都是由中子星或中小型黑洞合并产生的。 它们发射的引力波频率很高，因此距离地球仅几公里的探测器就可以探测到它们。 如果是更大规模的天文事件，比如星系中心超大质量黑洞的并合，发射的引力波将是低频的，频率在纳赫（）量级，波长可以延伸到几个波长。光年。 要探测这种引力波，需要一个超长的探测器，大到整个地球甚至整个太阳系都装不下。

来自脉冲星的信号

幸运的是，我们银河系中有一个物体可以发出非常精确的脉冲信号，这些信号受到低频引力波的影响。

这样的物体就是脉冲星，一种旋转极快的中子星，从其磁极发射电磁辐射束。 当它们旋转时，这些电磁辐射束像灯塔一样扫过宇宙。 当它扫过地球时，我们检测到单个脉冲。

由于脉冲星自转周期非常稳定，我们会在地球上探测到间隔稳定的脉冲信号，周期通常在几毫秒到几十秒的范围内。 当引力波在地球和脉冲星之间通过时，脉冲到达地球的时间被打乱。

单个脉冲信号的扰动不足以表明引力波经过。 如果用射电望远镜长时间观测一组稳定自转的脉冲星，发现多颗脉冲星在某一时刻同时产生的信号有一定的规律性变化，则说明引力波已被检测到。 这就是世界各地的科学团队一直在观察的情况。

“中国天眼”再立功

近日，中国脉冲星授时阵列（CPTA）、北美纳赫兹引力波天文台（）、欧洲脉冲星授时阵列（EPTA）和澳大利亚帕克斯脉冲星授时阵列（PPTA）利用各自的射电望远镜探测到了有证据低频引力波的存在。

其中，中国脉冲星授时阵研究团队利用被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜（FAST）对57毫秒脉冲星进行了长期系统监测。 通过分析 FAST 在 3 年零 5 个月期间收集的数据，天文学家发现了低频引力波的证据。

其他研究小组也给出了类似的证据。 需要指出的是，利用脉冲星发现的引力波通常不是由单一天文事件产生的，而是宇宙中积累的所有引力波合并产生的低频时空波纹。 因此，天文学家将它们称为“引力波背景”。

到目前为止，这些研究工作给出的数据与科学公认的检测标准略有偏差。 因此，从事该项目的天文学家谦虚地声称，他们只发现了引力波存在的“证据”。 不过，更多的探测和数据分析仍在进行中，大多数天文学家认为这项研究的最终结果将在未来一到两年内得到证实。

开启引力波探测新篇章

如果它们确实是低频引力波，它们是如何产生的？ 最明显的答案是超大质量黑洞的合并。 毕竟几乎每个星系的中心都有一个超大质量黑洞，星系合并是一种很常见的现象。

但它并不是低频引力波的唯一潜在来源。 另一种可能性是宇宙弦。 宇宙弦最早由英国物理学家汤姆·基布尔 (Tom ) 在 20 世纪 70 年代提出，本质上是宇宙膨胀引起的时空裂缝。 宇宙弦会产生扭结，最终断裂并产生引力波。 此外，还有许多奇异的物理机制，例如某些类型的暗物质活动和大爆炸后空间的快速膨胀，所有这些都可能产生低频引力波。

利用脉冲星探测引力波不需要像LIGO那样的精密仪器，只需要射电望远镜和足够的耐心。 而这一新发现开启了引力波探测的新篇章。 通过分析这种低频引力波，我们可以“聆听”宇宙深处更多的天体和事件。

参考：

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