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？
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” 。
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 。
图解：即将合并的黑洞双星系统 。 图源：Mark Myers/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 。
图解：中子星周围的磁场 。 图源：Casey Reed/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 。
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 。
毫秒脉冲星是非常精确的时钟 。 如果你用射电望远镜观察 ， 引力波穿过它时 ， 会改变射电望远镜和脉冲星之间的距离 ， 进而改变它们的相对距离 。 同样 ， 这种影响非常小 ， 要想在单单一颗脉冲星上观察到它是几乎不可能的 。
除非持续观测多颗脉冲星几十年 ， 才可能在宇宙中超大质量黑洞相互旋转时 ， 探测到它们发出的以纳赫为单位的“嗡嗡”背景声 。
这绝对是件值得记录的大事 。
图解：两个相互环绕但转轴不同的黑洞 。 图源：LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)
这是北美纳赫兹引力波观测站（NANOGrav）的项目之一 。 在十二年多的时间里 ， 他们已经观测了47颗毫秒脉冲星 ， 以求捕捉到这个信号 。 该项目对数据有着严格的要求——比如说 ， 脉冲星需要非常稳定 ， 每个脉冲星要有至少三年的数据 ， 47颗脉冲星中有45颗符合这一要求 。
其中还发现了一个无法解释的信号源 ， 哪怕科学家们设想了各种可能 ， 包括观测误差、地球公转的复杂过程（以及其他绕太阳运行的行星的影响）等等 。
这种信号仍在持续发出 。
【天文|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】事实是 ， 还没有足够的证据表明它来自宇宙中那些相互吞噬的“怪兽”黑洞 ， 只有一些吻合的特征 ， 而没有强有力的证据支撑 。 按照目前的观测频率 ， 要想进一步确认 ， 还需要一定的时间以观测更多的脉冲星 。
找对方向确实能振奋人心 。 虽不能完全确定是什么 ， 但也是发现了一些东西 。
图解：“这不是外星人 。 ”图源：Phil Plait
之前 ， 科学家们利用西弗吉尼亚的绿湾射电天文望远镜（GBT）和波多黎各的阿雷西博(Arecibo)射电望远镜进行观测 ， 不幸的是 ， 近期的阿雷西博天文台坍塌事件导致项目不得不暂缓进行 ， 虽然有人建议重建天文台 ， 但这需要一段时间 ， 因而他们正在多方面寻找合作者和望远镜 。
希望最近发出的求助能够得到应允的回应 。 当这些不可思议的物体彼此靠近时 ， 探测到这种时空振动的嗡嗡声是令人震撼的 。 它们正在走向一次史诗级的大合并 ， 将释放出与宇宙中所有恒星总和一样多的能量 ， 但也只能通过观测宇宙中超致密星体的变化来见识其中的威力 ， 而无法直接观测 。
这本是星际迷航级别的事儿 ， 但现在我们却在做 。 真是奇妙至极！
作者: Phil Plait
FY:梦里花
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