天文学家发现脉冲星发出宇宙“心跳”信号

他们的研究结果最近发表在《宇宙学与天体粒子物理学杂志》（JCAP）上。
夜空包含极为精准的“宇宙钟”——脉冲星。它们是致密的中子星，能以稳定间隔发射射电波脉冲，如同精准计时的节拍器。在地球上，射电望远镜追踪这些脉冲，不仅是为了研究脉冲星本身，还将其用作研究更广阔宇宙结构和行为的工具。
如果某种看不见的东西——近乎“宇宙幽灵”——扭曲了脉冲星与地球之间的时空，其脉冲的时间间隔就会发生轻微偏移。这些变化并非随机：天空某些区域的几颗脉冲星会显示出一致的变化，仿佛有一道缓慢的无形波穿过太空。
浅田指出：“2023年，多个脉冲星计时阵列合作组——美国的NANOGrav和欧洲团队——宣布发现了纳赫兹引力波的强证据。”纳赫兹意味着波的周期为几个月到几年，波长则达数光年。为探测如此尺度，我们依赖距离地球数百到数千光年的遥远且稳定的脉冲星。他继续说道：“该信号在统计上可靠，但低于粒子物理学家通常要求的5σ阈值。这是‘强证据’但尚未得到确认探测，不过宇宙学和天体物理学界认为，我们正接近首次探测到纳赫兹引力波。”
尽管证据令人鼓舞，但仍未完全确认。浅田指出，如果未来数据能加强这一结果，下一步将是确定其起源。他解释道：“纳赫兹引力波主要有两个候选来源。一个是宇宙暴涨，它会在极早期宇宙产生时空涨落，后来被拉伸到宇宙尺度。另一个是超大质量黑洞双星，它们在星系合并时形成。这两种情景都可能产生纳赫兹引力波。”
区分这两种可能性一直很困难，因为脉冲星数据中观察到的相关模式——即脉冲星之间的时间差异如何相互关联——曾被认为在两种情况下表现相似。浅田说：“在我们的论文中，我们探讨了一对邻近的超大质量黑洞产生特别强信号的情况。如果两个这样的系统具有非常相似的频率，它们的波会发生干涉并产生拍频模式，就像声学中那样。原则上，这一特征能让我们将它们与暴涨产生的随机背景区分开来。”
因此，浅田和山本利用了一种常见的声学效应——拍频。当两个波的频率几乎相同但又不完全相同时，它们的叠加会产生周期性的增强和减弱。将其应用于引力波，两个频率相似的超大质量黑洞双星会在脉冲星计时信号中留下特征性的调制。这种方法就是在脉冲星相关模式中寻找这种调制——“拍频”。如果存在这种调制，则强烈表明该信号并非弥漫的背景，而是源于特定的、相对邻近的双星系统。
我们现在等待对脉冲星信号本质的更强确认。浅田总结道：“我认为，一旦实现5σ的确认探测（可能在未来几年内），下一步将是追问：这些波的起源是什么？到那时，我们的方法可能有助于区分它们是来自宇宙暴涨还是邻近的超大质量黑洞双星。”