利用脈衝星測到引力波了?

本文選自《物理》2021年第4期

(北京大學 徐仁新 編譯自Michael Schirber. Physics,January 28,2021)

利用脈衝星測到引力波了?

通過監測多顆脈衝星的射電脈衝,天文學家可能發現了背景引力波信號

想象一下,能將引力波探測器延伸至銀河系的邊緣嗎?北美納赫茲引力波天文台(NANOGrav)正是這樣的組織,通過監測河內若干脈衝星的脈衝到達時間來測量距離的改變。2020年NANOGrav宣稱發現脈衝到達時間出現漲落,可能是納赫茲引力波的證據。黑洞合併可產生這種引力波,但不排除其他波源,包括宇宙弦、宇宙早期黑洞形成等。若NANOGrav信號確實源於引力波,則未來5年進一步觀測或能區分這些模型。

脈衝星是快速旋轉的中子星,其輻射束等間隔地掃過地球,恰如燈塔。1974年,Hulse和Taylor發現雙中子星輻射引力波導致軌道改變的觀測證據。2015年,激光干涉儀LIGO成功探測到臂長的微小變化,從而直接測量引力波1)。NANOGrav監測天區內45顆脈衝星,尋找幾千光年距離上空間扭曲而產生的類似效應。當引力波在地球和一顆毫秒脈衝星之間穿越時,距離的改變將影響那顆脈衝星輻射束到達地球的時間。

基於12.5年數據的分析,NANOGrav於2020年給出年尺度上的計時漲落。所有脈衝星均顯示這一漲落,因而排除脈衝星自身計時噪聲。NANOGrav的Joseph Simon說:「脈衝星無法相互溝通來協調它們的行為」,而宇宙隨機背景引力波可能導致這種漲落。「測量背景引力波將是引力波天文學的重要里程碑」,CERN的Kai Schmitz說。

NANOGrav結果仍然存疑。Simon說:「我有信心信號是真實的」,但坦承引力波的解釋還需進一步研究。只有引力波才會導致脈衝到達時間殘差的四極關聯。

若信號確實來自引力波,那自然的解釋就是黑洞併合。為產生納赫茲引力波,併合黑洞的質量要比LIGO/Virgo測得的黑洞重數百萬倍。天文學家知道,多數星系的中心存在超大質量黑洞。由於星系併合,超大質量黑洞也會併合。Schmitz認為這裡存在不確定性,如黑洞能否形成密近軌道產生引力波。

其他引力波源也是可能的。Schmitz及其同事認為,NANOGrav數據可用宇宙弦解釋。宇宙弦為一維緻密物體,預計在早期宇宙相變時產生,在空間縱橫交錯。隨着時間的演化,宇宙弦相互碰撞或相交,形成閉環並振蕩而產生引力波。模型認為,閉環會在宇宙歷史中形成,至今將延展至數光年併產生低頻引力波。華沙大學的Marek Lewicki說:「如果您看到納赫茲信號,很可能是宇宙弦」;他和倫敦國王學院John Ellis合作對宇宙弦引力波背景進行了建模,與Schmitz等人結果一致。

第三種解釋涉及原初黑洞。推測它可能在早期宇宙形成,並輻射引力波。日內瓦大學Gabriele Franciolini解釋說,引力波頻率與黑洞質量有關。NANOGrav看到的納赫茲信號對應於0.1至0.01倍太陽質量範圍內的黑洞。Franciolini等建立了一個模型,所形成的原初黑洞質量可分佈在太陽到小行星的質量之間,其總質量與暗物質成分相當。此建議的誘人之處在於:它不僅可以解釋NANOGrav觀測結果,還可以解釋暗物質。也有模型認為,原初黑洞的質量分佈於上千到百萬倍太陽質量之間;它們不太可能是暗物質,但幫助解決超大質量黑洞形成之謎。

NANOGrav團隊還將確認信號的真實性。2020年12月Arecibo望遠鏡的倒塌導致合作中斷。團隊正在跟歐洲及澳大利亞的脈衝星計時陣成員進行數據比對。利用500米望遠鏡FAST,中國脈衝星計時陣(CPTA)自2019年開始積累數據。Simon認為,若信號是真的,則未來5年積累更多的數據將會區分不同模型。Schmitz說:「脈衝星計時天文前途光明」;如果年輕學生謀划職業生涯,他會建議從事這一研究。

註:1)詳見:徐仁新 譯.首次測到引力波.物理,2016,45(3):195。