大家好，我是國家天文臺的陸由俊。今天我們接著談引力波，脈沖星計時陣。

　　除了人造的“耳朵”之外，我們還可以利用宇宙中的天然的引力波探測器——脈沖星計時陣(pulsar timing array; PTA)來“聽”約在十億分之一赫茲至百萬分之一赫茲的甚低頻引力波。

圖：脈沖星藝術(shù)想象圖（Credit: NASA）

　　脈沖星是快速旋轉(zhuǎn)的中子星，同時它們還帶有較強(qiáng)的偶極磁場（類似于地球磁場），沿著磁軸方向或者說磁場的兩極方向（好比地球磁場的兩極）會產(chǎn)生射電輻射。

　　一般而言，脈沖星的磁軸與自轉(zhuǎn)軸是不重合的，隨著脈沖星的自轉(zhuǎn)，它產(chǎn)生的射電輻射束有可能掃過地球。每當(dāng)射電輻射束掃過地球時，地球上的射電望遠(yuǎn)鏡就會收到一個射電脈沖。在沒有任何噪聲或干擾的理想情況下，射電望遠(yuǎn)鏡會接收到一系列間隔相等的脈沖。

　　周期約為毫秒級的脈沖星稱之為毫秒脈沖星，它們脈沖的周期就相當(dāng)穩(wěn)定，幾乎是宇宙中最穩(wěn)定的天然時鐘，周期變化率僅為10-20量級，完全可以忽略不計。因此它們產(chǎn)生的脈沖信號的到達(dá)時間也是可以被準(zhǔn)確預(yù)測的。

　　而當(dāng)引力波從毫秒脈沖星與地球之間穿過時，引力波會使地球與脈沖星之間的距離發(fā)生微小的變化，使得來自脈沖星的脈沖傳播至地球的到達(dá)時間也會發(fā)生細(xì)微的變化。通過觀測脈沖到達(dá)的時間變化，也就能來探測引力波信號。同時監(jiān)測很多顆穩(wěn)定毫秒脈沖星的脈沖到達(dá)時間及其變化，就可以準(zhǔn)確地測量引力波，這就是所謂的脈沖星計時陣測引力波。

　　當(dāng)然引起脈沖到達(dá)時間變化的原因可能不只是引力波，還有許多噪聲會影響脈沖的到達(dá)時間。不過所幸的是，不同的噪聲對不同的脈沖星影響不同，比如有的噪聲只存在于部分脈沖星的信號里，有的噪聲在不同脈沖星信號里遵循一定的變化規(guī)律，而引力波信號則會以特定的模式影響到每一顆脈沖星的脈沖信號到達(dá)時間。因此我們就需要通過對多顆脈沖星信號的到達(dá)時間的長期監(jiān)測，來鑒別哪些是噪聲，哪些是真正的信號。

　　這些脈沖星就形成一個陣列，稱之為“脈沖星計時陣”，它的“臂長”可以達(dá)到幾千至幾萬光年，用于探測甚低頻引力波。

圖：PTA藝術(shù)想象圖（Credit:David Champion）

　　這里值得重點(diǎn)指出的是“脈沖星計時陣”中的“陣”指的是脈沖星的陣列，而并非是射電望遠(yuǎn)鏡陣列。原則上來講，哪怕只要有一臺像“天眼”FAST這樣大口徑、高靈敏度的射電望遠(yuǎn)鏡，對多顆脈沖星進(jìn)行監(jiān)測，也是可以做脈沖星計時陣測量的。不過實際觀測上，當(dāng)然是大口徑的射電望遠(yuǎn)鏡越多越好，這樣不僅能同時監(jiān)測多顆脈沖星，也能補(bǔ)充其它望遠(yuǎn)鏡觀測不到的脈沖星。

　　現(xiàn)在的PTA有澳大利亞的帕克斯脈沖星計時陣(PPTA)，歐洲脈沖星計時陣(EPTA)，北美納赫茲引力波天文臺(NANOGrav)。他們觀測了十多年，目前還沒觀測到引力波信號，但限制了引力波背景信號應(yīng)小于10-15量級。為了更加充分地利用數(shù)據(jù)，提高靈敏度，三大脈沖星計時陣列的數(shù)據(jù)被結(jié)合到一起，形成了國際脈沖星計時陣(IPTA)。

　　我國的“天眼”（FAST）結(jié)合其它40-60米射電望遠(yuǎn)鏡，已經(jīng)初步成立了中國脈沖星計時陣探測計劃。未來將要建設(shè)的新疆奇臺110米口徑的射電望遠(yuǎn)鏡等，也將脈沖星計時陣探測引力波作為它的主要科學(xué)目標(biāo)。另外，低頻引力波探測也是我國參與的國際平方公里陣（SKA）的主要科學(xué)目標(biāo)之一。

　　PTA可以用來探測星系中心的超大質(zhì)量雙黑洞旋近產(chǎn)生的連續(xù)引力波信號，以及來自宇宙中無數(shù)超大質(zhì)量雙黑洞的引力波疊加形成的隨機(jī)背景信號，宇宙早期相變中的拓?fù)淙毕菪盘柕鹊?。拓?fù)淙毕輹a(chǎn)生宇宙弦，宇宙弦就好比是宇宙中的“琴弦”，“琴弦”的斷裂會產(chǎn)生較強(qiáng)的引力波。

　　有趣的一點(diǎn)是，脈沖星計時陣列PTA還可以探測引力波的“記憶效應(yīng)”。通常雙黑洞并合后，引力波的應(yīng)變降為零，也就消失了，但“記憶效應(yīng)”說的就是，雙黑洞并合后，引力波信號雖然恢復(fù)平靜，卻是一個不為零的值。

　　今天我們就聊到這里。下一期，我們來談?wù)動钪嫖⒉ū尘拜椛鋵嶒炋綔y原初引力波。

　　主講人簡介:陸由俊，中國科學(xué)院國家天文臺研究員，中國科學(xué)院大學(xué)崗位教授，主要研究領(lǐng)域為理論天體物理，包括黑洞物理、引力波天體物理、活動星系核和類星體等。