Doctor Curious 13：天文学家或已捕捉到低频引力波的痕迹
The following article is from 中国科学院理论物理研究所 Author 陈祖成
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陈祖成，17级博士研究生，导师为黄庆国研究员，研究方向为引力波和原初黑洞。
当两个超大质量黑洞合并时，它们会发出一个长达数年的低频引力波信号。宇宙中所有超大质量双黑洞发出的引力波信号会融为一体，汇集成引力波背景。像北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）这样的脉冲星观测项目，十多年来一直在寻找这种引力波背景。在美国天文学会第237次会议上，NANOGrav合作组织宣布已经探测到了这种背景的痕迹。
这幅插图显示了NANOGrav项目对脉冲星进行观测，以探测时空中的涟漪--引力波。
脉冲星是大质量超新星爆炸的压缩残留物。当脉冲星旋转时会在天空中发出脉冲。脉冲星的等离子体喷流就像灯塔光束一样扫过地球。毫秒级的脉冲星，其旋转速度与厨房搅拌机的刀片一样快，保持着特别有规律的周期，是非常稳定的计时器，可与地球上的原子钟相媲美。
早在1979年，天文学家就已经梦想着利用这些计时器来寻找引力波了。此后，天文学家们建立了脉冲星计时阵列，监测整个银河系的毫秒级脉冲星，来寻找脉冲信号的微小变化。
NANOGrav搜索引力波背景的首席科学家西蒙说：“我们在银河系内创建了一个星系大小的探测器。”在分析了12年半的脉冲星计时数据之后，西蒙在美国科学院报告说，NANOGrav检测到了一个低频信号，该信号看起来与他们所期望的引力波背景完全一样。西蒙说：“我们一个一个地检查每颗脉冲星，期待着找到几颗让我们的数据失灵的脉冲星。后来把每颗脉冲星都检查完了，我们惊讶地发现数据里真的有东西。”
红色箭头指向NANOGrav发现的信号。这个信号出现在NANOGrav的所有脉冲星中，看起来就像预期的引力波背景。
虽然该团队发现数据中有一个信号，但他们无法确定这个信号究竟是什么。为了证实这个低频信号来自于引力波，NANOGrav的科学家需要确定此信号在整个空间上是有关联的。“我们的地球在一个低频引力波的海洋中晃动，当引力波经过时，地球会被非常轻微地推到不同的方向上。”西蒙解释说。如果地球向一颗脉冲星移动，这颗脉冲星发出的脉冲信号会来得比预期早一点；而来自相反方向的脉冲星发出的脉冲信号会来得晚一点。
引力波在本质上是四极的，这意味着当它们沿z轴传播时，时空会沿x（或y）轴挤压并沿y（或x）轴拉伸。假设我们有一组引力波产生了一组挤压-拉伸的动作，NANOGrav可能会看到这样的情况：处于天空中邻近的脉冲星发出的脉冲信号会同时早一点或晚一点到达地球，这些脉冲信号是正相关的；但是在天空中相隔90度的脉冲星发出的脉冲信号将是反相关的。
引力波在一个方向上传播时，会在相互垂直的方向上交替地扩张和压缩空间。
NANOGrav目前没有发现探测到的信号存在空间关联，所以无法证实该信号是引力波。但科学家们相信会在未来一年到几年内探测到引力波背景。虽然阿雷西博望远镜的倒塌阻碍了NANOGrav的数据收集，但最近发布的数据只涵盖到2017年中期。直到2020年8月阿雷西博望远镜的第一根电缆断裂为止，NANOGrav仍然有整整两年的脉冲星数据需要处理和分析。
“试图用脉冲星计时阵列探测引力波需要耐心，这些新的结果正是我们期望看到的，我们正在逐步接近探测到引力波。”NANOGrav的主席斯科特说。
本文编译自 MONICA YOUNG 所写 “PULSARS SHOW HINT OF GRAVITATIONAL-WAVE BACKGROUND” 获取原文请点击阅读原文。
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