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引力波 靈敏的脈沖星之耳，如何探聽嗡嗡的引力波聲？且聽科學家分析

簡介：當質量加速時，它會在時空的結構中產生漣漪。這些被稱為引力波。科學家已知的最強引力波來源于一對軌道黑洞合并時的情況。然而，當兩個黑洞在數百萬年甚至數十億年的時間里相互接近時，它們發射的引力波功率和頻率要低得多。我們的探測器很難檢測到它們，但通過脈沖星我們便可以檢測到它。
回憶一下，你有沒有過這樣一種經歷：你正身處一個擁擠嘈雜的空間，似乎聽見了某種熟悉的聲音，又好像是有人在叫你的名字，這種聲音不大不小，足夠引起你的注意，卻又不讓你聽清到底在說什么？
【 引力波|靈敏的脈沖星之耳，如何探聽嗡嗡的引力波聲？且聽科學家分析】一支國際天文學家團隊正處于這種情況。只不過，這個擁擠的房間是宇宙，房間里的人是巨大的、正相互吞噬的黑洞，不斷發出的雜音是壓縮時空的“波”，與此同時，天文學家們將遍布銀河系的幾十顆高速旋轉脈沖星作為“耳朵”來“探聽”這種“波”。
好的，讓我們把時間往回倒。
愛因斯坦廣義相對論的一個主要（甚至可以說是最大）成就、現已被證實的預言，即：當質量加速時，會在時空中產生“漣漪”，稱為“引力波”。
引力波 靈敏的脈沖星之耳，如何探聽嗡嗡的引力波聲？且聽科學家分析
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圖解：兩個超大質量黑洞相撞合并。圖源：ESA
對于加速度較大的超大質量物體來說，引力波的威力則更強大，因而已知的最強引力波源是黑洞雙星合并。黑洞雙星的質量非常大，在合并前，它們相互繞轉的速度幾近于光速。在合并時，引力波輻射出的能量也是大得驚人，哪怕是星系中所有恒星的總輻射能量，相比之下也是九牛一毛。不過，引力波到達地球時已是極其微弱，目前的手段鮮少能探測到它。
經過幾十年的漫長探索，終于在2015年9月，激光干涉引力波天文臺（LIGO）宣布探測到了首個引力波信號。這是一項十分了不起的成就，并且后續又探測到了引力波信號。
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圖解：即將合并的黑洞雙星系統。圖源：MarkMyers/OzGrav
對于兩個黑洞合并前和合并瞬間發出的引力波，激光干涉引力波天文臺（LIGO）的觀測設備還是較靈敏的。引力波的頻率非常高，在幾十到幾百赫茲之間——1Hz表示每秒有一個引力波經過你的身邊，2Hz即每秒有兩個……依此類推。
然而，當黑洞在數百萬年甚至數十億年的時間里彼此接近時，它們仍在發射引力波，只不過功率和頻率要低得多。每隔幾分鐘，星系中心的超大質量黑洞就會在宇宙中的某個地方合并一次，也就是說，有數十億個黑洞正在相互接近，它們發出極低頻率的引力波，低至幾納赫——這意味著每十年或二十年就會有一個引力波經過你身邊。
沒錯，就是低頻。有幾十億個黑洞從天空的四面八方飛來，從宇宙空間中的各個黑洞飛來，這些到達地球的引力波，合起來發出“嗡嗡”的背景聲，如同擁擠房間里的聲音。因為頻率太低，激光干涉引力波天文臺（LIGO）無法探測，倒是有另一種方法可以“聽到”它們。
中子星是爆炸的大質量恒星的超致密坍縮核心。質量可與太陽相當，但只有十幾千米左右的寬度。換句話說，如果挖出一立方厘米的中子星物質，那么其重量將達到美國所有汽車的總和。
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圖解：中子星周圍的磁場。圖源：CaseyReed/Penn State University
有一類中子星，它們有著很強的磁場，強磁場把輻射封閉起來，只能從兩個磁極發出遠離它們的強輻射光束。由于這類中子星的高速自轉，磁極光束像燈塔“窗口”發出亮光射向海面一樣掃過宇宙空間。當這些光束掃過我們的上空時，地球上的我們會看到“眨眼”一樣的周期性閃光，這是因為它每自轉一周，我們就接收到一次它輻射的電磁波，于是就形成一斷一續的脈沖。我們稱這類中子星為脈沖星。
每秒旋轉上百次的脈沖星，稱為毫秒脈沖星。極大的密度保證了極其穩定的自轉。通過在離散的時間間隔內觀測的這些“閃光”可以發現：高速且穩定的自轉成就了脈沖星作為宇宙中最精確的時鐘。
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圖解：受黑洞引力波影響的地球相對于脈沖星的位置圖。圖源：NANOGrav/T.Klein
特別有意思的一點是：當一個引力波通過地球時，它實際上會交替壓縮和拉伸空間及地球本身。但這種扭曲小到你永遠感覺不到它，甚至連激光干涉引力波天文臺（LIGO）都幾乎檢測不到它。從我們整個星球的尺度上來看，地球的大小也只改變了一個原子的直徑。可以說，這種影響是微乎其微的。

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