脉冲星计时阵：引力波宇宙的新窗口

2023年6月29日，包括中国脉冲星计时阵（CPTA）在内的四个国际研究团队宣布找到了纳赫兹引力波存在的证据。多年后，当人们回顾这个发现的时候，其重要性也许堪比1933年卡尔·央斯基接收到银河系发来的射电信号。光学到射电天文的跨越代表着人类认识宇宙能力的飞跃，而纳赫兹引力波是继2015年首次探测到引力波之后，人类叩开的一扇聆听宇宙的全新窗口。这个故事有两个开端。第一个源于爱因斯坦的广义相对论。1916年，根据广义相对论，爱因斯坦预言了引力波的存在：物质导致时空的弯曲，当天体加速运动时，时空的变化会以波动的形式传播出去。这就是引力波。形象地说，引力波就是时空的涟漪。

引力波预言后的几十年间，没有人太把它当回事——爱因斯坦本人曾怀疑引力波是否真实存在，而著名天文学家爱丁顿曾戏言“引力波以思想的速度传播”。直到1957年，物理学家才清楚地认识到引力波携带着能量，设计实验直接探测引力波也开始提上了日程。故事的另一个开端是脉冲星的发现。1967年，贝尔和休伊什发现了一个不同寻常的周期大约为一秒的重复射电信号。休伊什和贝尔1968年发表了观测结果，很快天文学家们意识到该信号起源于快速旋转的中子星，并把这类新天体命名为脉冲星。巧合的是，仅过了一年，1969年，韦伯宣称利用共振金属棒探测到了引力波。休伊什和韦伯是各自领域（脉冲星和引力波探测）的先驱，同时又都伴随着争议。脉冲星的发现让休伊什获得了1974年诺贝尔物理学奖，其学生贝尔却不在获奖者之列；韦伯的实验发现则无人能重复，尽管客观上掀起了探测引力波的热潮。脉冲星和引力波两个领域一直是紧密相连的。1974年，泰勒和他的学生赫尔斯发现了第一个脉冲星双星系统：脉冲星B1913 16与另一颗中子星相互绕转，是一个典型的引力波源。接下来几十年间，这个双星的轨道周期持续衰减，与广义相对论的预言完美吻合。泰勒和赫尔斯因此获得1993年度诺贝尔物理学奖；他们的观测不仅证明了引力波的存在，捕捉两个中子星绕转直至最终并合所辐射的引力波也是地基激光干涉仪引力波探测器的主要目标。脉冲星计时阵探测引力波是一件极富想象力的事情。脉冲星两极辐射出的电磁波随着自身的转动，规律地扫过地球，如同宇宙中的灯塔一般。脉冲星每转一圈，射电望远镜便接收到一个“脉冲”。这种脉冲信号极其守时，稳定性足以挑战地球上最精密的原子钟。当引力波穿过地球和脉冲星时，时空变化改变地球和脉冲星之间的距离，让原本守时的脉冲比预计的更早或更晚到达。将脉冲星的脉冲类比于激光干涉仪的激光，脉冲星计时阵相当于把地面公里级的探测器放大到了银河系尺度的引力波探测器！

近期，中国的CPTA、北美的NANOGrav、澳大利亚的PPTA和欧洲的EPTA联合印度脉冲星计时阵（InPTA是一个印度-日本合作组，2021年正式加入IPTA）独立发布了搜寻引力波背景的结果。四个小组都找到了一个随机信号，并且在不同程度上支持这一信号具有HD关联；其中，借助中国天眼FAST望远镜，CPTA获得了4.6倍标准差显著度的观测结果，最为接近粒子物理领域“科学发现”所要求的5倍标准差黄金标准。此外，利用位于南非的平方公里阵（SKA）先导望远镜MeerKAT开展的脉冲星计时阵项目MPTA拥有对78颗脉冲星超过2年半的高精度计时数据。虽然MPTA没有与其他四个合作组一道公布独立的数据分析结果，其高灵敏度的数据也有望在纳赫兹引力波发现中扮演重要角色。如果近期公布的脉冲星计时阵信号被确认为引力波背景，那么它的物理起源具有多种可能：超大质量双黑洞绕转产生的引力波背景或者是宇宙早期的相变和拓扑缺陷（如宇宙弦）。还有一个有意思的可能性是所谓的标量诱导引力波。在宇宙早期的暴胀阶段，标量扰动和张量扰动在非线性阶段是耦合的。这种非线性耦合会使得标量扰动诱导出引力波。如果信号的起源真是标量诱导引力波，那么它将揭示其它观测手段无法获取的宇宙极早期的信息，例如宇宙的物质状态和小尺度原初密度扰动偏离正态分布的程度。未来一两年内，EPTA、InPTA、MPTA、NANOGrav和PPTA团队的最新数据将合并为IPTA的第三次数据集。这将显著提高数据的灵敏度，并进一步揭示该信号的起源。总之，人类已经一只脚踏入了纳赫兹引力波天文学的时代。相信在不久的将来，更高精度的脉冲星计时阵数据和更成熟的探测技术将揭示超大质量黑洞并合的过程，并窥探宇宙早期前所未知的奥秘。