大家好，我是國家天文臺的陸由俊。今天我們接著談引力波，脈衝星計時陣。
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——脈衝星計時陣(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：脈衝星藝術想象圖（Credit: NASA）
脈衝星是快速旋轉的中子星，同時它們還帶有較強的偶極磁場（類似於地球磁場），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）會產生射電輻射。
一般而言，脈衝星的磁軸與自轉軸是不重合的，隨著脈衝星的自轉，它產生的射電輻射束有可能掃過地球。每當射電輻射束掃過地球時，地球上的射電望遠鏡就會收到一個射電脈衝。在沒有任何噪聲或干擾的理想情況下，射電望遠鏡會接收到一系列間隔相等的脈衝。
週期約為毫秒級的脈衝星稱之為毫秒脈衝星，它們脈衝的週期就相當穩定，幾乎是宇宙中最穩定的天然時鐘，週期變化率僅為10-20量級，完全可以忽略不計。因此它們產生的脈衝信號的到達時間也是可以被準確預測的。
而當引力波從毫秒脈衝星與地球之間穿過時，引力波會使地球與脈衝星之間的距離發生微小的變化，使得來自脈衝星的脈衝傳播至地球的到達時間也會發生細微的變化。通過觀測脈衝到達的時間變化，也就能來探測引力波信號。同時監測很多顆穩定毫秒脈衝星的脈衝到達時間及其變化，就可以準確地測量引力波，這就是所謂的脈衝星計時陣測引力波。
當然引起脈衝到達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衝的到達時間。不過所幸的是，不同的噪聲對不同的脈衝星影響不同，比如有的噪聲只存在於部分脈衝星的信號裡，有的噪聲在不同脈衝星信號裡遵循一定的變化規律，而引力波信號則會以特定的模式影響到每一顆脈衝星的脈衝信號到達時間。因此我們就需要通過對多顆脈衝星信號的到達時間的長期監測，來鑑別哪些是噪聲，哪些是真正的信號。
這些脈衝星就形成一個陣列，稱之為“脈衝星計時陣”，它的“臂長”可以達到幾千至幾萬光年，用於探測甚低頻引力波。
圖：PTA藝術想象圖（Credit:David Champion）
這裡值得重點指出的是“脈衝星計時陣”中的“陣”指的是脈衝星的陣列，而並非是射電望遠鏡陣列。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鏡，對多顆脈衝星進行監測，也是可以做脈衝星計時陣測量的。不過實際觀測上，當然是大口徑的射電望遠鏡越多越好，這樣不僅能同時監測多顆脈衝星，也能補充其它望遠鏡觀測不到的脈衝星。
現在的PTA有澳大利亞的帕克斯脈衝星計時陣(PPTA)，歐洲脈衝星計時陣(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小於10-15量級。為了更加充分地利用數據，提高靈敏度，三大脈衝星計時陣列的數據被結合到一起，形成了國際脈衝星計時陣(IPTA)。
我國的“天眼”（FAST）結合其它40-60米射電望遠鏡，已經初步成立了中國脈衝星計時陣探測計劃。未來將要建設的新疆奇台110米口徑的射電望遠鏡等，也將脈衝星計時陣探測引力波作為它的主要科學目標。另外，低頻引力波探測也是我國參與的國際平方公里陣（SKA）的主要科學目標之一。
PTA可以用來探測星系中心的超大質量雙黑洞旋近產生的連續引力波信號，以及來自宇宙中無數超大質量雙黑洞的引力波疊加形成的隨機背景信號，宇宙早期相變中的拓撲缺陷信號等等。拓撲缺陷會產生宇宙弦，宇宙弦就好比是宇宙中的“琴絃”，“琴絃”的斷裂會產生較強的引力波。
有趣的一點是，脈衝星計時陣列PTA還可以探測引力波的“記憶效應”。通常雙黑洞併合後，引力波的應變降為零，也就消失了，但“記憶效應”說的就是，雙黑洞併合後，引力波信號雖然恢復平靜，卻是一個不為零的值。
今天我們就聊到這裡。下一期，我們來談談宇宙微波背景輻射實驗探測原初引力波。
主講人簡介:陸由俊，中國科學院國家天文臺研究員，中國科學院大學崗位教授，主要研究領域為理論天體物理，包括黑洞物理、引力波天體物理、活動星系核和類星體等。
