聆听五音俱全的引力波宇宙 | ④脉冲星计时阵引力波探测

　　大家好，我是国家天文台的陆由俊。今天我们接着谈引力波，脉冲星计时阵。

　　除了人造的“耳朵”之外，我们还可以利用宇宙中的天然的引力波探测器——脉冲星计时阵(pulsar timing array; PTA)来“听”约在十亿分之一赫兹至百万分之一赫兹的甚低频引力波。

图：脉冲星艺术想象图（Credit: NASA）

　　脉冲星是快速旋转的中子星，同时它们还带有较强的偶极磁场（类似于地球磁场），沿着磁轴方向或者说磁场的两极方向（好比地球磁场的两极）会产生射电辐射。

　　一般而言，脉冲星的磁轴与自转轴是不重合的，随着脉冲星的自转，它产生的射电辐射束有可能扫过地球。每当射电辐射束扫过地球时，地球上的射电望远镜就会收到一个射电脉冲。在没有任何噪声或干扰的理想情况下，射电望远镜会接收到一系列间隔相等的脉冲。

　　周期约为毫秒级的脉冲星称之为毫秒脉冲星，它们脉冲的周期就相当稳定，几乎是宇宙中最稳定的天然时钟，周期变化率仅为10-20量级，完全可以忽略不计。因此它们产生的脉冲信号的到达时间也是可以被准确预测的。

　　而当引力波从毫秒脉冲星与地球之间穿过时，引力波会使地球与脉冲星之间的距离发生微小的变化，使得来自脉冲星的脉冲传播至地球的到达时间也会发生细微的变化。通过观测脉冲到达的时间变化，也就能来探测引力波信号。同时监测很多颗稳定毫秒脉冲星的脉冲到达时间及其变化，就可以准确地测量引力波，这就是所谓的脉冲星计时阵测引力波。

　　当然引起脉冲到达时间变化的原因可能不只是引力波，还有许多噪声会影响脉冲的到达时间。不过所幸的是，不同的噪声对不同的脉冲星影响不同，比如有的噪声只存在于部分脉冲星的信号里，有的噪声在不同脉冲星信号里遵循一定的变化规律，而引力波信号则会以特定的模式影响到每一颗脉冲星的脉冲信号到达时间。因此我们就需要通过对多颗脉冲星信号的到达时间的长期监测，来鉴别哪些是噪声，哪些是真正的信号。

　　这些脉冲星就形成一个阵列，称之为“脉冲星计时阵”，它的“臂长”可以达到几千至几万光年，用于探测甚低频引力波。

图：PTA艺术想象图（Credit:David Champion）

　　这里值得重点指出的是“脉冲星计时阵”中的“阵”指的是脉冲星的阵列，而并非是射电望远镜阵列。原则上来讲，哪怕只要有一台像“天眼”FAST这样大口径、高灵敏度的射电望远镜，对多颗脉冲星进行监测，也是可以做脉冲星计时阵测量的。不过实际观测上，当然是大口径的射电望远镜越多越好，这样不仅能同时监测多颗脉冲星，也能补充其它望远镜观测不到的脉冲星。

　　现在的PTA有澳大利亚的帕克斯脉冲星计时阵(PPTA)，欧洲脉冲星计时阵(EPTA)，北美纳赫兹引力波天文台(NANOGrav)。他们观测了十多年，目前还没观测到引力波信号，但限制了引力波背景信号应小于10-15量级。为了更加充分地利用数据，提高灵敏度，三大脉冲星计时阵列的数据被结合到一起，形成了国际脉冲星计时阵(IPTA)。

　　我国的“天眼”（FAST）结合其它40-60米射电望远镜，已经初步成立了中国脉冲星计时阵探测计划。未来将要建设的新疆奇台110米口径的射电望远镜等，也将脉冲星计时阵探测引力波作为它的主要科学目标。另外，低频引力波探测也是我国参与的国际平方公里阵（SKA）的主要科学目标之一。

　　PTA可以用来探测星系中心的超大质量双黑洞旋近产生的连续引力波信号，以及来自宇宙中无数超大质量双黑洞的引力波叠加形成的随机背景信号，宇宙早期相变中的拓扑缺陷信号等等。拓扑缺陷会产生宇宙弦，宇宙弦就好比是宇宙中的“琴弦”，“琴弦”的断裂会产生较强的引力波。

　　有趣的一点是，脉冲星计时阵列PTA还可以探测引力波的“记忆效应”。通常双黑洞并合后，引力波的应变降为零，也就消失了，但“记忆效应”说的就是，双黑洞并合后，引力波信号虽然恢复平静，却是一个不为零的值。

　　今天我们就聊到这里。下一期，我们来谈谈宇宙微波背景辐射实验探测原初引力波。

　　主讲人简介:陆由俊，中国科学院国家天文台研究员，中国科学院大学岗位教授，主要研究领域为理论天体物理，包括黑洞物理、引力波天体物理、活动星系核和类星体等。