贊！人類首次探測到了低頻引力波的存在，那這會意味著什么？

摘要：我們在北美納赫茲引力波天文臺收集的12.5年脈沖星計時數據中尋找各向同性隨機引力波背景（GWB）。我們的分析發現了一個隨機過程的有力證據，以冪律建模，發現各脈沖星之間具有共同的振幅和譜斜率。在這個基準模型中，貝葉斯后驗f−2/3 冪律譜的振幅，表現為特征性GW應變，中位數為1.92×10-15，5% -95%的分位數為1.37-2.67×10-15，每個脈沖星超過10000的貝葉斯因子的參考頻率支持共譜過程而不是獨立的紅噪過程在。

然而，我們沒有發現顯著的統計證據表明這一過程具有宣稱符合廣義相對論的GWB檢測所必須的四極空間相關性，我們發現，這一過程既不存在可能來自于基準時鐘的單極相關，也不存在可能由太陽系星歷系統引起的偶極相關。后端振幅在先前報道的上限以上有顯著的支持；我們用脈沖星固有的紅噪聲呈現的貝葉斯先驗來解釋這一點。基于信號確實為天體物理范疇的假設下，我們檢查了超大質量黑洞雙星種群的潛在影響，

簡介：北美納赫茲引力波觀測站的一個研究小組宣稱在阿雷西博望遠鏡的資料庫中找到了一段極有可能是低頻引力波的信號，這是人類首次探測到低頻引力波，小組利用脈沖星的燈塔屬性測量脈沖信號是否有被延遲或加速，以此判別是否受到引力波影響，

在過去的13年里，有一群天文學家致力于觀察宇宙中旋轉著的恒星發出的信號，企圖在時空中捕捉微弱的彎曲漣漪，亦即引力波。

圖解：質量（能量）的存在會使時空發生彎曲，引力波就是時空曲率的變化以波的形式向外傳輸。圖源：新浪，

終于，他們探測到了可能是人類史上第一次發現的提示為低頻引力波的信號，

來自北美納赫茲引力波觀測天文臺（簡稱NANOGrav）的團隊發布了這一探測收獲，他們聲稱發現了一種可能來自低頻引力波的微弱信號，這是低頻引力波首次被人類捕捉，而令人矚目的是，這些數據竟都來自現已不復存在的阿雷西博天文臺，

這一新發現在發表于《天文學雜志》一月期刊的該項研究中進行了詳細說明，這將對未來人類對宇宙的觀測——或說如果傾聽宇宙的聲響，產生深遠而巨大的影響，

以下為研究背景——2015年9月15日，科學家們首次觀測到了來自引力波的信號，這一信號是由13億年前兩個黑洞的碰撞融合產生的時空漣漪，

人類利用激光干涉引力波天文臺（簡稱LIGO）首次探測到引力波的存在是由兩個大質量黑洞相撞，在時空中產生漣漪的結果，

引力波是由宇宙中加速運動的大質量天體對時空產生的曲率變化，以波的形式向外光速傳播產生的，如果說電磁輻射或可見光是天文學家觀測宇宙的方式，那么引力波就是他們傾聽宇宙的途徑，

使用激光干涉引力波天文臺（LIGO）和歐洲“室女座”引力波探測器（Vigro），科學家們得以捕捉由引力波產生的信號。

引力波到達地球的時候已經變得相對微弱，并只能持續短短幾秒，科學家通過分析這些信號，追溯引力波的來源，收聽遠古宇宙的殘響。這些被探測器捕獲到的大部分引力波都是來自于兩個黑洞的碰撞。

低頻引力波則更為特殊。它們是上億年前由大量糾纏旋轉的黑洞發出的波長更長的信號，

與高頻引力波相比，低頻引力波是宇宙里亙古恒久的背景噪音，因而它們更難被“收聽”到，需要基于數年的數據采集。

科學家們最終是如何成功的呢——NANOGrav是由超過100名來自美國和加拿大的齊心協力致力于追尋低頻引力波的天文學家組成的，

天文學家們借助一類叫做脈沖星的中子星實現了對低頻引力波的觀測，脈沖星是一類密度極大的強磁場星體，它們自身極速旋轉的同時不斷發射電磁輻射，由于脈沖星本身的特質，其也被科學家們形象地稱為“宇宙燈塔”，

圖解：脈沖星，就是旋轉的中子星，因不斷地發出電磁脈沖信號而得名。它具有體積小、密度大，溫度高、輻射強，脈沖周期短等特點，圖源：搜狐。

脈沖星被稱為“宇宙計時員”，他們總是周期性地發射電磁（光）信號。研究表明，任何不規則現象的出現都可能是由引力波引起該時空的伸展和收縮所導致的。

引力波引起的時空漣漪會造成脈沖信號與預計抵達地球的時間產生輕微偏差，提示地球的位置產生了變化，

研究者們曾在波多黎各的阿雷西博天文臺密切觀測著一組脈沖星，然而2020年12月該天文臺發生倒塌，結束了它曾經作為世界上最大的射電望遠鏡之一的輝煌時代，

圖解：阿雷西博天文臺，1974年建成，是世界上第二大的單面口徑射電望遠鏡。2020年發生坍塌，現已廢止。圖源：tooseekto

研究者們同時測量著宇宙中多顆脈沖星發射的射電信號到達地球的時間，這一技術被稱為“脈沖星計時陣”，通過脈沖到達時間及其變化來確定地球與星體之間的相對距離。

觀測發現——這是目前為止探測到的信號最強的低頻引力波。雖然目前科學家們尚不能證實脈沖波到達地球時間的變化是的確由低頻引力波引起的，但他們已經排除了其他可能導致此現象的原因（如太陽系中其他物質的干擾等）。

圖解：脈沖星計時陣，簡稱PTA（pulsar timing array），地球與脈沖星之間的時空會被通過的引力波彎曲，從而導致脈沖星所發射的脈沖訊號傳播至地球的時間有所改變，由毫秒脈沖星組成的脈沖星計時陣列可以用來尋找有關聯的改變，從而探測出引力波，圖源：kepu.gmw

“能從舊時的數據中挖掘到如此強烈的信號是非常難以置信又振奮人心的發現，”NANOGrav成員、該項目主要研究員約瑟夫·西蒙在一次聲明中這樣說。

“然而，因為我們尋找的引力波信號貫穿了我們觀測期的整個時長，我們需要格外注意分析我們所處環境的聲音底噪，”他補充到，

“我們可以完全清楚地排除掉已知的噪音來源，但我們仍不能確定地說信號是否就是來源于引力波，為此，我們需要更多的數據支持，”他說。

接下來如何——這項探測工作耗時數年，但NANOGrav的科學家們可能還要再花幾年時間才能確認導致地球位置偏離脈沖星信號的確實是低頻引力波。

為了實現這一目標，研究者們必須擴大資料庫，加入更多的脈沖星并進行更長期的觀測。

與此同時，他們需要排除其他可能導致時空彎曲的原因。NANOGrav的團隊通過計算機建模，檢驗探測到的噪音是否由引力波之外的原因引起。

“用脈沖計時陣探測引力波需要足夠的耐心，”國家射電天文臺、NANOGrav主席斯科特·蘭塞姆在聲明中表示。

“我們目前正在分析超過12年的數據，但是想要得出最終確定性的結論仍然還需要幾年時間，隨著我們更加深入地探測，我們也驚喜地發現目前得到的結果正是我們期待所看到的，”

無論這一發現是否可以證實為人類第一次檢測到低頻信號波的存在，科學家們無疑會更加密切地關注宇宙中的訊息，

BY: inverse

FY: 短尾巴小狐貍

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