北美納赫茲引力波天文臺（NANOGrav）一直在使用射電望遠鏡來計時一系列超精確的毫秒脈沖星，并尋找由低頻引力波引起的相關延遲。最近他們發了一個公告，在美國東部時間6月29日下午1點，將宣布有關尋找低頻引力波的重大新聞，有些人認為這可能是發現了引力波背景。

脈沖到達時間

脈沖星是一種特殊的中子星，它們在自轉的同時，以極高的穩定性向外發射電磁輻射。當這些輻射與地球相交時，我們就可以用射電望遠鏡接收到它們的信號，就像一盞燈塔一樣。脈沖星的自轉周期非常短，從幾秒到幾毫秒不等，而且隨著時間的推移，它們會緩慢地失去自轉動能，導致自轉周期逐漸增加，這種現象稱為自轉減慢。

毫秒脈沖星是一類特別快速和穩定的脈沖星，它們的自轉周期一般在1-10毫秒之間，而且自轉減慢率非常低，相當于每年只有幾億分之一秒的變化。這使得它們成為了天文學上最精確的時鐘之一，甚至可以和原子鐘相媲美。

脈沖到達時間（Pulse Arrival Time，PAT）是指從脈沖星發出信號到達地球的時間。由于脈沖星和地球之間的距離非常遙遠，通常在幾千光年以上，所以這個時間通常在幾千年以上。但是，由于我們可以測量脈沖星的自轉周期和自轉減慢率，我們就可以根據這些參數預測出每個脈沖應該到達地球的時間，這個時間稱為預期到達時間（Predicted Arrival Time，PPT）。如果我們將PAT和PPT相減，就可以得到一個殘差，這個殘差反映了實際觀測和理論預測之間的差異。

引力波

引力波是一種由質量加速運動產生的時空擾動，它以光速向外傳播，并且在傳播過程中會對沿途的物質產生微弱的拉伸和擠壓效應。根據廣義相對論，引力波可以攜帶能量、動量和角動量，并且可以被其他物質吸收或反射。引力波的存在是愛因斯坦在1916年提出的一個理論預言，但直到2015年9月14日，人類才首次通過地面干涉儀LIGO直接探測到了來自兩個并合黑洞產生的引力波信號GW150914。

原初引力波是指宇宙大爆炸后不久產生的引力波，它們是最古老、最弱、也最難以探測的引力波之一。原初引力波可以反映宇宙早期的物理狀態，例如暴漲階段的能量尺度、對稱性破缺的機制、相變的過程等。原初引力波的探測可以為宇宙學和粒子物理學提供重要的信息和證據。

用脈沖星計時陣列探測引力波

脈沖星計時陣列是由一系列毫秒脈沖星組成的探測器。通過對陣列中脈沖星信號的到達時間長達數十年的監測，我們可能從中發現頻率大約處于10^-9~10^-7Hz的甚低頻引力波信號。這些信號主要來自于超大質量黑洞雙星的并合，以及宇宙大爆炸后產生的原初引力波背景。

當一種引力波通過地球和脈沖星之間的空間時，它會對這段距離產生微小的變化，從而導致脈沖到達時間的變化。如果我們同時監測多顆脈沖星，我們就可以從它們的殘差中尋找引力波的特征信號。例如，如果一種隨機的、各向同性的、穩態的引力波背景存在，那么不同脈沖星之間的殘差會呈現出一定的相關性，這種相關性與脈沖星之間的夾角有關，稱為地平面函數。如果我們能夠觀測到這種相關性，那么就可以證明引力波背景的存在。

(www.Ws46.com)

目前，世界上有三個主要的脈沖星計時陣列項目，分別是：歐洲的EPTA監測18顆毫秒脈沖星；美國和加拿大的NANOGrav，監測47顆毫秒脈沖星；澳大利亞的PPTA，監測27顆毫秒脈沖星。此外，這三個項目還聯合組成了國際脈沖星計時陣列（IPTA），共同分析和共享數據，以提高探測靈敏度。

脈沖星計時陣列探測到引力波背景了嗎

目前，脈沖星計時陣列還沒有探測到隨機引力波背景的確鑿證據，但已經給出了一些有趣的線索和限制。例如，在2021年4月12日，NANOGrav公布了對其第12次數據釋放（12.5年觀測數據）的分析結果。他們發現，在他們監測的47顆毫秒脈沖星中，有32顆顯示出了殘差的相關性，而且這種相關性與地平面函數預期的一致。

這可能是隨機引力波背景的信號，也可能是其他未知的噪聲源，例如太陽系的行星攝動或銀河系的自由電子密度變化。為了區分這些可能性，NANOGrav還需要更多的數據和更多的脈沖星樣本，而6月29日的發布會展示的是15年的觀測數據，所以讓我們期待吧！