摘要：脉冲星可能正在揭示宇宙结构中一种非常微弱的波动——在太空中传播的超低频引力波。2023年，国际脉冲星计时阵列合作项目探测到的信号，可能来自两种情况：要么是随机引力波背景（由无数遥远源头共同产生的一种嘈杂的声音），要么是一对距离我们较近、相互环绕的超大质量黑洞。

一篇新研究提出了一种新思路，能帮我们区分不同的纳赫兹引力波源头。

脉冲星可能正在揭示宇宙结构中一种非常微弱的波动——在太空中传播的超低频引力波。2023年，国际脉冲星计时阵列合作项目探测到的信号，可能来自两种情况：要么是随机引力波背景（由无数遥远源头共同产生的一种嘈杂的声音），要么是一对距离我们较近、相互环绕的超大质量黑洞。

为了区分这两种可能性，日本弘前大学的浅田秀树教授和山本俊提出了一种新的方法。他们的方法是寻找一种叫做“拍频”的现象。当频率非常接近的引力波相互作用时，就会产生拍频。这种现象会在脉冲星发出的无线电脉冲到达地球的时间上，留下细微的痕迹。

这项研究发表在《宇宙学和天体粒子物理学杂志》（JCAP）上。

在夜空中，存在着非常精准的“宇宙时钟”：脉冲星。这是一种密度极高、快速旋转的中子星，它会定期发射无线电波，就像时钟一样精准。天文学家利用地球上的射电望远镜来测量这些脉冲，既是为了研究脉冲星本身，也是为了利用它们来探索宇宙的结构。

如果有什么我们看不到的物体弯曲了脉冲星和地球之间的时空，脉冲的节奏就会发生轻微的变化。这些时空弯曲并不是随机的，而是在天空特定区域的多颗脉冲星上呈现出有规律的模式，就像一道巨大的涟漪穿过宇宙。

纳赫兹引力波的证据

浅田教授说：“2023年，美国的NANOGrav和欧洲的团队等几个脉冲星计时阵列合作项目宣布，他们找到了纳赫兹引力波存在的有力证据。” 纳赫兹指的是周期为几个月到几年，波长为几光年的波。为了探测这种尺度的引力波，我们需要利用距离我们几百到几千光年之外的遥远且稳定的脉冲星。“这个信号在统计上是可靠的，但还没有达到粒子物理学家通常要求的5个标准差的水平，”他补充说。“这只是一个‘有力的证据’，还没有完全确定，但宇宙学和天体物理学界相信，我们很快就能首次探测到纳赫兹引力波了。”

目前，这个确定性还没有达到黄金标准。浅田教授认为，如果未来的数据证实了这一点，那么下一个挑战就是确定这些引力波的来源。“纳赫兹引力波主要有两个可能的来源，”他解释说。“一个是宇宙膨胀，它会在宇宙早期产生时空波动，后来这些波动随着宇宙的膨胀而被放大。另一个是超大质量黑洞双星，这是星系合并时形成的。这两种情况都可能产生纳赫兹引力波。”

问题的关键在于，长期以来，人们认为脉冲星数据中的相关模式（也就是不同脉冲星的计时残差之间的关联方式）在以上两种情况下看起来是相同的。“在我们的论文中，我们研究了一对距离我们较近的超大质量黑洞产生特别强信号的情况，”浅田教授说。“如果两个这样的系统的频率非常相似，它们的波就会发生干涉，并产生一种拍频模式，就像声学中的拍频一样。理论上，这种特征可以让我们将它们与宇宙膨胀产生的随机背景区分开来。”

聆听宇宙的节拍

浅田教授和山本俊利用了一种常见的声学效应——拍频。当两个频率非常接近（但不完全相同）的波叠加时，就会产生周期性的增强和减弱。当把这种拍频效应应用到脉冲星计时信号时，两个频率相近的超大质量黑洞双星就会在脉冲星计时信号中留下独特的调制痕迹。他们的方法就是在脉冲星的相关模式中寻找这种调制，也就是寻找“拍频”。如果存在这种调制，那就强烈表明这个信号不是来自弥散的背景，而是来自特定的、相对较近的双星系统。

我们现在期待着对脉冲星信号性质进行更可靠的确认。“我认为，一旦我们能够在5个标准差的精度上实现确认探测（也许几年内就能实现），下一步就是要问：这些波来自哪里？到那时，我们的方法也许能够区分它们是来自宇宙膨胀还是来自附近的超大质量黑洞双星，”浅田教授总结道。

来源：星秘空间