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引力波 灵敏的脉冲星之耳，如何探听嗡嗡的引力波声？且听科学家分析

简介：当质量加速时，它会在时空的结构中产生涟漪。这些被称为引力波。科学家已知的最强引力波来源于一对轨道黑洞合并时的情况。然而，当两个黑洞在数百万年甚至数十亿年的时间里相互接近时，它们发射的引力波功率和频率要低得多。我们的探测器很难检测到它们，但通过脉冲星我们便可以检测到它。
回忆一下，你有没有过这样一种经历：你正身处一个拥挤嘈杂的空间，似乎听见了某种熟悉的声音，又好像是有人在叫你的名字，这种声音不大不小，足够引起你的注意，却又不让你听清到底在说什么？
【 引力波|灵敏的脉冲星之耳，如何探听嗡嗡的引力波声？且听科学家分析】一支国际天文学家团队正处于这种情况。只不过，这个拥挤的房间是宇宙，房间里的人是巨大的、正相互吞噬的黑洞，不断发出的杂音是压缩时空的“波”，与此同时，天文学家们将遍布银河系的几十颗高速旋转脉冲星作为“耳朵”来“探听”这种“波”。
好的，让我们把时间往回倒。
爱因斯坦广义相对论的一个主要（甚至可以说是最大）成就、现已被证实的预言，即：当质量加速时，会在时空中产生“涟漪”，称为“引力波”。
引力波 灵敏的脉冲星之耳，如何探听嗡嗡的引力波声？且听科学家分析
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图解：两个超大质量黑洞相撞合并。图源：ESA
对于加速度较大的超大质量物体来说，引力波的威力则更强大，因而已知的最强引力波源是黑洞双星合并。黑洞双星的质量非常大，在合并前，它们相互绕转的速度几近于光速。在合并时，引力波辐射出的能量也是大得惊人，哪怕是星系中所有恒星的总辐射能量，相比之下也是九牛一毛。不过，引力波到达地球时已是极其微弱，目前的手段鲜少能探测到它。
经过几十年的漫长探索，终于在2015年9月，激光干涉引力波天文台（LIGO）宣布探测到了首个引力波信号。这是一项十分了不起的成就，并且后续又探测到了引力波信号。
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图解：即将合并的黑洞双星系统。图源：MarkMyers/OzGrav
对于两个黑洞合并前和合并瞬间发出的引力波，激光干涉引力波天文台（LIGO）的观测设备还是较灵敏的。引力波的频率非常高，在几十到几百赫兹之间——1Hz表示每秒有一个引力波经过你的身边，2Hz即每秒有两个……依此类推。
然而，当黑洞在数百万年甚至数十亿年的时间里彼此接近时，它们仍在发射引力波，只不过功率和频率要低得多。每隔几分钟，星系中心的超大质量黑洞就会在宇宙中的某个地方合并一次，也就是说，有数十亿个黑洞正在相互接近，它们发出极低频率的引力波，低至几纳赫——这意味着每十年或二十年就会有一个引力波经过你身边。
没错，就是低频。有几十亿个黑洞从天空的四面八方飞来，从宇宙空间中的各个黑洞飞来，这些到达地球的引力波，合起来发出“嗡嗡”的背景声，如同拥挤房间里的声音。因为频率太低，激光干涉引力波天文台（LIGO）无法探测，倒是有另一种方法可以“听到”它们。
中子星是爆炸的大质量恒星的超致密坍缩核心。质量可与太阳相当，但只有十几千米左右的宽度。换句话说，如果挖出一立方厘米的中子星物质，那么其重量将达到美国所有汽车的总和。
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图解：中子星周围的磁场。图源：CaseyReed/Penn State University
有一类中子星，它们有着很强的磁场，强磁场把辐射封闭起来，只能从两个磁极发出远离它们的强辐射光束。由于这类中子星的高速自转，磁极光束像灯塔“窗口”发出亮光射向海面一样扫过宇宙空间。当这些光束扫过我们的上空时，地球上的我们会看到“眨眼”一样的周期性闪光，这是因为它每自转一周，我们就接收到一次它辐射的电磁波，于是就形成一断一续的脉冲。我们称这类中子星为脉冲星。
每秒旋转上百次的脉冲星，称为毫秒脉冲星。极大的密度保证了极其稳定的自转。通过在离散的时间间隔内观测的这些“闪光”可以发现：高速且稳定的自转成就了脉冲星作为宇宙中最精确的时钟。
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图解：受黑洞引力波影响的地球相对于脉冲星的位置图。图源：NANOGrav/T.Klein
特别有意思的一点是：当一个引力波通过地球时，它实际上会交替压缩和拉伸空间及地球本身。但这种扭曲小到你永远感觉不到它，甚至连激光干涉引力波天文台（LIGO）都几乎检测不到它。从我们整个星球的尺度上来看，地球的大小也只改变了一个原子的直径。可以说，这种影响是微乎其微的。

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