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最近，包括中国在内的多国科学团队同时发表了一系列论文，宣布首次找到了一种超低频引力波存在的证据。天文学家之前检测到的引力波的波长通常为数十到数百千米，而这次检测到的引力波，其波长可达好几光年。那么，这种“怪物级”引力波的发现意味着什么？

文 | 陈强

根据爱因斯坦的广义相对论，当有质量的物体呈加速度运动时，它会在时空中产生涟漪，从所在的位置以光速向外传播，这种时空的涟漪就是引力波。在引力波所经过的地方，时空会有节奏地发生拉伸和挤压，其频率就是该的引力波频率。

大部分物体产生的引力波都非常弱，只有那些剧烈的天文学事件，比如黑洞或中子星的并合，才能产生足够强的可被我们观测到的引力波。在 2015 年 9 月，激光干涉引力波天文台（LIGO）首次探测到了两个黑洞并合产生的引力波。

从那时起，地球上的各个引力波探测器已经捕获了近 100 个已确认的引力波事件。这些事件都是由中子星或中小型黑洞的合并产生的，它们发出的引力波是高频的，所以只需地球上几千米的探测器就能检测到。如果是更大规模的天文学事件，比如星系中心超大质量黑洞的合并，发出的引力波会是低频的，频率处在纳赫兹（nanohertz）尺度上，其波长可以延伸至几光年。要想检测到这种引力波，那就需要超长的探测器，大到整个地球甚至整个太阳系都摆不下。

来自脉冲星的信号

幸运的是，在我们的银河系中，有一种天体会发出非常精确的脉冲信号，这些信号会受到低频引力波的影响。

这种天体就是脉冲星，它是一种旋转速度极快的中子星，会从磁极发出电磁辐射束。当它们旋转时，这些电磁辐射束像灯塔一样在宇宙中扫来扫去。扫过地球时，我们就会检测到一个个的脉冲信号。

因为脉冲星旋转周期十分稳定，我们在地球上就会检测到间隔稳定的脉冲信号，周期通常为几毫秒到数十秒范围内。当引力波在地球和脉冲星之间通过时，脉冲信号到达地球的时间就被扰乱。

单个脉冲信号的扰乱不足以说明有引力波经过。如果利用射电望远镜长期观测一批自转稳定的脉冲星，并发现多颗脉冲星产生的信号在某个时候同时发生某种规律性的变化，就代表探测到了引力波。而这就是世界各地的科学团队一直在进行的观测工作。

“中国天眼”再次立功

近日，中国脉冲星测时阵列（CPTA）、北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）、欧洲脉冲星测时阵列（EPTA）和澳大利亚帕克斯脉冲星测时阵列（PPTA）利用各自的射电望远镜，分别探测到了低频引力波存在的相关证据。

其中，中国脉冲星测时阵列的研究团队利用被誉为“中国天眼”的 500 米口径球面射电望远镜（FAST），对 57 颗毫秒脉冲星进行了长期系统性监测。对 FAST 在 3 年 5 个月的时间里收集到的数据进行分析研究，天文学家发现了低频引力波存在的证据。

其他的研究团队也给出了类似的证据。需要指出的是，利用脉冲星发现的引力波，通常不是由一个单一的天文学事件产生的，它们是宇宙中累积的所有引力波相合并产生的低频的时空涟漪。所以，天文学家把它们称之为“引力波背景”。

迄今为止，这些研究工作给出的数据，离科学公认的探测标准略有差距。因此，从事该项目的天文学家谦虚地声称仅发现了引力波存在的“证据”。但是，更多的探测和数据分析还在进行中，大多数天文学家都相信，在接下来的一到两年内，这个研究的最终结果就能确认下来。

开启引力波探测的新篇章

如果真的是低频引力波的话，那么它们是如何产生的？最明显的答案是超大质量黑洞合并产生的，毕竟每个星系的中心几乎都有着超大质量黑洞，而星系的合并是很常见的现象。

但它不是低频引力波的唯一潜在来源。另一种可能性是宇宙弦。宇宙弦最早是由英国物理学家汤姆・基博尔（Tom Kibble）在上个世纪 70 年代设想出来的，本质上是由宇宙膨胀引起的时空裂缝。宇宙弦可能会产生扭结，最终会折断，并产生引力波。此外，还有许多奇异的物理机制，比如某些类型的暗物质活动、宇宙大爆炸后空间的急速膨胀，所有这些都可能产生低频的引力波。

利用脉冲星来检测定引力波，不需要 LIGO 那种精密仪器，只需要射电望远镜以及足够的耐心即可。而这个新发现，开启了引力波探测的新篇章。通过分析这种低频引力波，我们可以“聆听”到更多宇宙深处的天体和事件。

参考文献：

• https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1674-4527/acdfa5

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