脉冲星计时阵列寻找引力波背景，15年的观测数据将揭晓结果

北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）一直在使用射电望远镜来计时一系列超精确的毫秒脉冲星，并寻找由低频引力波引起的相关延迟。最近他们发了一个公告，在美国东部时间6月29日下午1点，将宣布有关寻找低频引力波的重大新闻，有些人认为这可能是发现了引力波背景。

脉冲到达时间

脉冲星是一种特殊的中子星，它们在自转的同时，以极高的稳定性向外发射电磁辐射。当这些辐射与地球相交时，我们就可以用射电望远镜接收到它们的信号，就像一盏灯塔一样。脉冲星的自转周期非常短，从几秒到几毫秒不等，而且随着时间的推移，它们会缓慢地失去自转动能，导致自转周期逐渐增加，这种现象称为自转减慢。

毫秒脉冲星是一类特别快速和稳定的脉冲星，它们的自转周期一般在1-10毫秒之间，而且自转减慢率非常低，相当于每年只有几亿分之一秒的变化。这使得它们成为了天文学上最精确的时钟之一，甚至可以和原子钟相媲美。

脉冲到达时间（Pulse Arrival Time，PAT）是指从脉冲星发出信号到达地球的时间。由于脉冲星和地球之间的距离非常遥远，通常在几千光年以上，所以这个时间通常在几千年以上。但是，由于我们可以测量脉冲星的自转周期和自转减慢率，我们就可以根据这些参数预测出每个脉冲应该到达地球的时间，这个时间称为预期到达时间（Predicted Arrival Time，PPT）。如果我们将PAT和PPT相减，就可以得到一个残差，这个残差反映了实际观测和理论预测之间的差异。

引力波

引力波是一种由质量加速运动产生的时空扰动，它以光速向外传播，并且在传播过程中会对沿途的物质产生微弱的拉伸和挤压效应。根据广义相对论，引力波可以携带能量、动量和角动量，并且可以被其他物质吸收或反射。引力波的存在是爱因斯坦在1916年提出的一个理论预言，但直到2015年9月14日，人类才首次通过地面干涉仪LIGO直接探测到了来自两个并合黑洞产生的引力波信号GW150914。

原初引力波是指宇宙大爆炸后不久产生的引力波，它们是最古老、最弱、也最难以探测的引力波之一。原初引力波可以反映宇宙早期的物理状态，例如暴涨阶段的能量尺度、对称性破缺的机制、相变的过程等。原初引力波的探测可以为宇宙学和粒子物理学提供重要的信息和证据。

用脉冲星计时阵列探测引力波

脉冲星计时阵列是由一系列毫秒脉冲星组成的探测器。通过对阵列中脉冲星信号的到达时间长达数十年的监测，我们可能从中发现频率大约处于10^-9~10^-7Hz的甚低频引力波信号。这些信号主要来自于超大质量黑洞双星的并合，以及宇宙大爆炸后产生的原初引力波背景。

当一种引力波通过地球和脉冲星之间的空间时，它会对这段距离产生微小的变化，从而导致脉冲到达时间的变化。如果我们同时监测多颗脉冲星，我们就可以从它们的残差中寻找引力波的特征信号。例如，如果一种随机的、各向同性的、稳态的引力波背景存在，那么不同脉冲星之间的残差会呈现出一定的相关性，这种相关性与脉冲星之间的夹角有关，称为地平面函数。如果我们能够观测到这种相关性，那么就可以证明引力波背景的存在。

目前，世界上有三个主要的脉冲星计时阵列项目，分别是：欧洲的EPTA监测18颗毫秒脉冲星；美国和加拿大的NANOGrav，监测47颗毫秒脉冲星；澳大利亚的PPTA，监测27颗毫秒脉冲星。此外，这三个项目还联合组成了国际脉冲星计时阵列（IPTA），共同分析和共享数据，以提高探测灵敏度。

脉冲星计时阵列探测到引力波背景了吗

目前，脉冲星计时阵列还没有探测到随机引力波背景的确凿证据，但已经给出了一些有趣的线索和限制。例如，在2021年4月12日，NANOGrav公布了对其第12次数据释放（12.5年观测数据）的分析结果。他们发现，在他们监测的47颗毫秒脉冲星中，有32颗显示出了残差的相关性，而且这种相关性与地平面函数预期的一致。

这可能是随机引力波背景的信号，也可能是其他未知的噪声源，例如太阳系的行星摄动或银河系的自由电子密度变化。为了区分这些可能性，NANOGrav还需要更多的数据和更多的脉冲星样本，而6月29日的发布会展示的是15年的观测数据，所以让我们期待吧！