重磅！NANOGrav 15年数据集揭示了引力波背景的证据

引力波是一种由于时空弯曲而产生的波动，它可以由质量巨大的物体的加速运动产生。自从2015年，LIGO和Virgo实验室首次探测到来自双黑洞合并的引力波以来，引力波探测已经成为了天体物理学的一个重要分支。然而，除了双黑洞合并之外，还有其他的引力波源，比如双中子星合并、双白矮星合并、旋转中子星、宇宙弦等。这些引力波源的频率不同，因此需要不同的探测方法和仪器。

其中一种引力波源是超大质量双黑洞，即两个质量在百万到十亿倍太阳质量之间的黑洞围绕彼此旋转。这些黑洞可能存在于星系中心，当两个星系发生碰撞和合并时，它们也会逐渐靠近并最终合并。在合并之前，它们会发出频率在纳赫兹量级的引力波，这种引力波称为纳赫兹引力波。由于超大质量双黑洞的数量众多，它们发出的纳赫兹引力波会形成一个随机的、均匀的、各向同性的背景辐射，称为随机引力波背景。随机引力波背景是一种非常微弱但持续不断的信号，要探测到它需要长时间的观测和精密的仪器。

目前，最有希望探测到随机引力波背景的方法是脉冲星计时阵列（PTA）。脉冲星是一种高速旋转、高度稳定、强烈辐射电磁波的中子星。当脉冲星的辐射束扫过地球时，我们就可以接收到它发出的脉冲信号。这些脉冲信号非常规律，可以作为天然的时钟来使用。如果有纳赫兹引力波通过地球和脉冲星之间的空间，那么它会扰动时空，导致我们接收到的脉冲信号出现延迟或提前。通过观测多颗脉冲星，并比较它们之间的信号延迟相关性，我们就可以寻找纳赫兹引力波的存在。

NANOGrav是一个由美国和加拿大组成的PTA项目，它利用美国国家射电天文台和加拿大射电天文台下属的射电望远镜来观测一组精心挑选的脉冲星。NANOGrav已经连续观测了15年，并在2023年6月29日发布了其最新的数据集。这个数据集包含了67颗脉冲星在15年内每隔两周观测一次所得到的数据。NANOGrav利用这个数据集进行了多种分析方法，以寻找随机引力波背景的证据。

NANOGrav首先使用了贝叶斯模型选择方法，将包含随机引力波背景信号的模型与只包含独立脉冲星噪声的模型进行比较。结果发现，前者比后者有超过10^14倍的优势。这意味着数据集中存在一个共同的、随机的、功率谱为幂律形式的信号，这与随机引力波背景的预期一致。

然而，这个信号也可能是其他来源造成的，比如太阳系行星的摄动、地球自转的不稳定、射电望远镜的系统误差等。为了区分这些可能性，NANOGrav进一步将包含随机引力波背景信号的模型与包含一个不相关的共同功率谱信号的模型进行比较。结果发现，前者比后者有200到1000倍的优势，具体数值取决于功率谱的参数化方式。这意味着数据集中存在一个相关的信号，而不是一个不相关的信号。

为了验证这个相关信号是否真的是SGWB造成的，NANOGrav还使用了另外两种方法来检验数据集中是否存在Hellings–Downs相关性（HD相关性）。HD相关性是指两颗脉冲星之间的信号延迟相关性与它们在天球上的相对位置有关，具有一个特定的函数形式。这是随机引力波背景的一个独特特征，因为它反映了纳赫兹引力波在不同方向上对时空造成的弯曲。

NANOGrav使用了一种基于贝叶斯推断的方法，来计算数据集中存在HD相关性的后验概率。结果发现，p值为10^-3（约3σ）。NANOGrav还使用了一种基于频率统计的方法，来构造一个直接反映HD相关性强度的检验统计量，并用一种去相关化的方法来估计其在零假设下（即没有HD相关性）的分布。结果发现，检验统计量在零假设下的p值为5×10^-5到1.9×10^-4（约3.5σ到4σ）。这两种方法都表明，在NANOGrav 15年数据集中，有强有力的证据支持HD相关性的存在。

综上所述，NANOGrav 15年数据集揭示了引力波背景的证据，这是人类历史上首次探测到纳赫兹引力波。这个引力波背景很可能是由超大质量双黑洞产生的，它们是宇宙中最神秘和最强大的引力波源之一。这个发现不仅开启了引力波天文学的一个新窗口，也为我们理解星系形成和演化、黑洞物理和宇宙学提供了新的途径。未来，随着观测时间和脉冲星数量的增加，以及与其他PTA项目的合作，我们有望更精确地测量随机引力波背景的特征，并可能探测到单个超大质量双黑洞系统发出的引力波信号。