最近，激光干涉引力波天文台（LIGO）观测到了两个约30倍太阳质量的黑洞合并所产生的引力波。由于引力波频率跨度广，探测不同波段的引力波需要引进不同的技术手段。北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）的一项新研究表明，现有的射电望远镜不久将能探测到低频引力波。
这项研究于本周被刊登在《天文物理学快报》(Astrophysical Journal Letters)上。“如果我们可以在天空不同方位监测足够多数目的脉冲星，就有可能探测到低频引力波信号。”文章的主要作者，Stephen Taylor说道。 他是NASA喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory,JPL）的一名博士后研究员。“如果所有脉冲星能给出相同的偏移图像，我们就掌握了低频引力波的确凿证据。”Taylor与来自JPL和加州理工学院的同事一直在寻找利用脉冲星测量低频引力波信号的最佳方案。脉冲星是高度磁化的中子星—中子星是大质量恒星发生超新星爆炸时形成的急速旋转的球核。
爱因斯坦在广义相对论中预言，加速的大质量物体会产生时空涟漪——引力波。纳赫兹引力波来自相互绕行的超大质量黑洞。这些黑洞的质量是LIGO观测的黑洞的百万甚至十亿倍。它们产生于碰撞星系中心，彼此缓慢靠近，最终合并成一个超大尺寸的黑洞。
在JPL工作的本文共同作者之一 Joseph Lazio表示：“星系合并是常见现象。我们相信能探测到隐藏在许多星系中的双超大质量黑洞系统。通过脉冲星，我们将看到它们相互旋绕并缓慢靠近。”
一旦这些巨型黑洞十分靠近，其产生的引力波波长变短，将不能再用脉冲星来探测。太空激光干涉仪，如欧洲航天局与NASA的联合项目eLISA，将用来探测超大质量黑洞合并时产生引力波。LISA探路者任务中由JPL负责的稳定推进器系统正在接受技术测试，以服务于未来的eLISA任务。
寻找双超大质量黑洞系统对天文学家来说是一个挑战。由于星系中心包含许多恒星，即使是如太阳系大小的巨大黑洞也显得十分渺小。在耀眼的星系背景中寻找双黑洞可视信号很困难。
射电天文学家转而寻找双黑洞引力信号。在2007年，NANOGrav 开始观测一组急速旋转的脉冲星，试图探测引力波造成的微小偏移。
脉冲星辐射电磁波束，部分脉冲星每旋转一圈其脉冲信号将扫过地球一次，天文学家接收到的信号则如高频电磁脉冲。大多数脉冲星每秒旋转数圈。但是有些被称作毫秒脉冲星的星体转速快上数百倍。
“我们对毫秒脉冲星到达时间的预测十分精准，仪器检测精度可达到十万分之一秒。”Marua McLaughlin说道，她是摩根顿西弗吉尼亚大学的一名射电天文学家，同时也是NANOGrav团队的成员 “借此，我们可以测量地球位置极其的微小偏移。”
JPL与Caltech的天文物理学家则谨慎地表示，探测微弱的引力波可能需要许多脉冲星。Michele Vallisneri ，JPL/Caltech研究团队的另一名成员说道：“我们就像蛛网中心的蜘蛛，如果在脉冲星网上我们能够拥有更多的线，当引力波经过时，我们更有可能检测到它。”
Vallisneri 表示要完成这个成果将需要国际合作。“NANOGrav目前正监测着54颗脉冲星，但我们仅能探测到部分南半球天空。我们需要与欧洲和澳大利亚的同事紧密合作才能达到此次搜寻要求的全空覆盖。”
最近，一个澳大利亚脉冲星研究团队对此种方案的可行性提出了质疑。他们宣称在分析一组脉冲星时，尽管时间测量已经非常精准，他们还是没能探测到引力波信号。在对此次结果调研后，NANOGrav团队认为此次报道的零结果是意料之中的。得到这样的结果一方面是由于使用了乐观的引力波模型，另一方面则由于分析的脉冲星过少。NANOGrav团队的回应最近通过arXiv电子预印本服务发布。
尽管存在着技术挑战，Taylor相信他们团队正沿着正确的路径探索。Taylor表示：“引力波无时不刻不在扫过地球。考虑到NANOGrav与其他国际团队观测的脉冲星数目，我们期待在接下来的十年中得到明析且有信服力的低频引力波证据。
来自美国与加拿大十余家机构的60多个科学家参与了NANOGrav合作项目。团队利用位于西弗尼吉亚NRAO的绿岸射电望远镜(Green Bank Telescope)与波多黎各的阿雷西博射电望远镜(Arecibo Radio Observatory)所获得的辐射脉冲星计时观测来探测引力波。2015年，美国国家科学基金(National Science Foundation, NSF)会奖予NANOGrav1450万美元来建立并运行物理前沿中心。
“LIGO最近发现了引力波，NANOGrav的杰出工作与之关系紧密，占了天时之利。”科学基金会的项目主管，Pedro Marronetti 说道，“NSF资助的物理前沿中心正筹备完善LIGO观测，拓宽引力波观测窗口，直至十分低频的波段。
审稿：张程
翻译：刘璋诚
原文网址：http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?release=2016-049
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