时空涟漪——引力波
1915年，爱因斯坦提出了广义相对论，他认为引力是时空扭曲的结果。在过去的一个世纪，广义相对论的那些看似异想天开的预言，一一被验证。其中一个最引人注目的预言是，当中子星和黑洞等大质量天体相互碰撞时，时空结构会出现波动。这类事件引发的涟漪会渗透到时空中，传播到很远的地方。
实际上，当遥远的引力波穿过地球时，它会拉伸或挤压地球。但这种效应极其微小，以至于在很长一段时间里引力波被认为几乎不可能被探测到。直到像LIGO和Virgo这类大型精密探测器的出现，才使得探测这些微小的效应成为可能。2015年，LIGO才首次成功直接探测到引力波，这是过去数十年中天文学界最大的亮点之一。
然而，寻找引力波的故事并未结束。到目前为止，LIGO和Virgo不仅发现了双黑洞并合产生的引力波，还发现了由双中子星和黑洞吞噬中子星产生的引力波。除了这些单独的引力波事件之外，物理学家推测，宇宙中应当还存在一种持续存在并渗透到整个宇宙时空的背景信号，它也被称为引力波背景。引力波背景是由在过去几十亿年中，许多对相互环绕的超大质量黑洞产生的涟漪的叠加。
不是所有的引力波都是一样的，就像光波具有不同的频率， 不同来源产生的引力波也具有不同的频率。例如，遥远星系中心的超大质量黑洞并合产生的引力波的频率就比LIGO探测到的双黑洞并合产生的要低得多。| 图片来源：ESA
近日，一组国际科学家团队宣布了他们对毫秒脉冲星的干扰信号的最新探测结果。他们认为，这可能朝证明低频引力波背景的存在迈出了一大步。
“星系时钟”
当一颗大质量恒星在耗尽燃料时，其核心最终会坍缩形成宇宙中最致密的天体之一——中子星。中子星的半径只有约10千米，但是它的质量却与太阳相当。在宇宙中，它们是除黑洞之外密度最大的天体，一茶匙的中子星上的物质就可重约10亿吨。
脉冲星是一种特殊的中子星。从地球上看，脉冲星似乎忽明忽暗。但实际上，当脉冲星高速旋转时，从两极发出射电信号会像灯塔放出的光一样，以一定的间隔掠过地球。这些信号频率非常有规律，甚至可以用作一种“星系时钟”。最精确的脉冲星，则被称为毫秒脉冲星，每秒旋转数百次。
如果在脉冲星和地球之间有引力波穿过，那么时空的轻微拉伸和挤压就会在脉冲星正常计时中引入一个微小的偏差。
地球周围的脉冲星阵。假如宇宙中弥漫着引力波背景，那么脉冲星发出的脉冲信号在传播的途中就会受到引力波的干扰。| 图片来源：Tonia Klein / NANOGrav
这次的新研究来自一个被称为国际脉冲星计时阵（IPTA）的国际合作组织。在他们发布的这份最新的官方数据集（DR2）中，整合了多个阵列的独立探测数据，囊括了来自65颗毫秒脉冲星的精确计时的信息。
奇怪的扰动
简单来说，他们从这些脉冲星信号中发现了一些奇怪的扰动模式。他们认为，这种脉冲星之间的共同信号的特征可能是来自引力波背景的干涉造成的。类似的模式也曾在其他单个数据集中被观察到，而这份整合的数据集似乎进一步加强了这个结论。
一些乐观的科学家认为，这是一个非常激动人心的信号，很有可能说明我们已经开始探测到了引力波背景的蛛丝马迹。
但团队目前对这一发现仍持相对保守的态度。暂时还没有足够确切的证据，他们仍在研究这个信号的其他可能性。例如，也许它可能是由个别脉冲星数据中存在的噪声造成的，而这些噪声可能在分析中被不恰当地模拟了。
为了确定引力波背景是这个超低频信号的来源，IPTA还必须探测脉冲星之间的空间相关性。这意味着，每一对脉冲星必须以一种非常特殊的方式对引力波做出反应，而这与它们在天空中的分隔程度有关。
脉冲星对之间的这些特征相关性才是引力波背景探测的确凿证据。没有它们，就很难证明其他一些过程不是造成信号的原因。
这也意味着，科学家必须进一步收集数据，扩大监测脉冲星的阵列，并继续搜索，找到更大的数据集。如果随之而来的是信号变得更为显著，并表现出空间相关性，这时才能确认引力波背景的存在。
探索宇宙的黄金时代
对来自双超大质量黑洞或其他宇宙源产生的引力波的探测，可以带给我们前所未有的信息，比如更好地了解星系如何形成并成长，以及认识在新生宇宙中发生的宇宙学过程。
一些科学家表示，要实现这一目标，还需要大规模的国际合作的努力。而未来几年，我们可能就会迎来探索宇宙的黄金时代。
#创作团队：
撰文：Takeko
排版：雯雯
#参考来源：
https://www.birmingham.ac.uk/news/latest/2022/01/international-collaboration-offers-new-evidence-of-a-gravitational-wave-background.aspx
https://www.space.com/millisecond-pulsars-gravitational-wave-backgroun
https://academic.oup.com/mnras/article-abstract/510/4/4873/6503453
#图片来源：
封面图/首图：原理
发表于 2022-2-5 03:09
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