爱因斯坦的广义相对论预言了质量和能量会扭曲空间和时间，这种扭曲可以由两个黑洞或中子星的并合产生，直接导致引力的波动，即我们所熟知的引力波现象。自2015年美国的激光干涉引力波探测台（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，LIGO）第一次探测到引力波以来，科学家已经探测到了近百例引力波现象。这种引力的变动本身是极其微小的，因此需要非常灵敏的仪器。目前已探测到的引力波基本都是由恒星级质量（约几到几十个太阳质量）的黑洞或中子星并合产生的，频率一般在千赫兹量级，大约是每秒钟绕转500次。但是另一种超低频引力波，即两个超大质量黑洞产生的时空涟漪，互相旋转一次大概需要十几年的时间。因此，即使是引力波发现的首发选手和主力军——长度达4千米的LIGO也无法探测到这一类引力波现象。
超大质量黑洞几乎存在于所有星系的中心，用以维系星系的引力束缚。超大质量黑洞的质量超过百万太阳质量，甚至可达十亿太阳质量的量级，然而其大小仅有星系的十亿分之一。
这类在极小范围内聚集了巨大质量的黑洞，是星系生长的一种重要途径。星系中心的黑洞一旦并合，其产生的引力波频率比人类之前探测到的引力波要低很多，用艺术一点的说法，它们“拥抱”产生的声音比普通的双黑洞或中子星并合要更低沉，落在纳赫兹范围，因此也被称为纳赫兹引力波。
纳赫兹引力波的波长比之前的引力波波长更长，因此，要探测到纳赫兹引力波需要更大尺度的干涉技术和仪器，比起几千米的LIGO、室女座引力波探测器（Virgo gravitational wave detector）以及神冈引力波探测器（Kamioka Gravitational wavedetector，KAGRA）等高频引力波探测器，如果是一个单独的仪器，大概需要星系量级的尺度（几万光年），这几乎是不可能的。但是天文学家可以借助星系中的星体来完成这一壮举。这里用到的一项关键技术叫做脉冲星计时阵（pulsartiming array, PTA）。2023年6月28日，五个彼此基本独立的国际合作团队都宣称探测到了纳赫兹引力波的存在。
中国的观测结果尽管时间跨度最短，但是用到了收集信号灵敏度很高的500米口径球面射电望远镜（Five-hundredmeter Aperture Spherical radio Telescope，FAST），所以在这次发布当中是置信度最高的一个，达到了4.6σ。尽管这些工作看到的引力波信号有强有弱，但在这一频率可能存在的随机超低频引力波背景，预示着我们即将打开观测纳赫兹引力波的一扇窗口。
一般认为，脉冲星是恒星死亡后遗留的高速旋转的超致密天体。由于脉冲星的自旋，它会非常规律地隔一定时间就转向地球，同时我们会接收到它发射的射电信号，就像灯塔扫射的光时不时被船只接收到一样，脉冲星正是得名于此。
由于它们发射的脉冲信号非常规律，天文学家甚至可以极准确地预计下一次脉冲到来的时间。但是，一旦受到超低频引力波信号的干扰，时空发生极小的扭曲，脉冲信号到达地球的时间就会出现微小的扰动。一旦收集到多个脉冲星信号不同程度的扰动，天文学家就可以通过数据分析和信号源反向建模，寻找到超低频引力波的信号。目前用于纳赫兹引力波监测的一般是每秒旋转几百次的孤立毫秒级脉冲星，因为它们发出的脉冲足够频繁，而且它们遍布天球，有利于长时间监测和寻找信号来源。这一过程毋庸置疑是极其复杂的，包括长期地监测和收集世界各地的射电数据，去除其中的噪音干扰并进行误差分析，还有对纳赫兹的可能信号进行建模，分析出甚至寻找到可能的引力波源头。
这些国际合作团队在分别经过3.5至20多年的数据积累后，报告了从“微弱”到“4.6σ”的信号强度，标志着引力波探索即将进入纳赫兹时代。
目前认为这些引力波背景的来源最有可能是超大质量黑洞的并合；然而，由于暂时没有更强的信号支持可靠的信号源，暴胀和宇宙弦造成这类信号的可能性依然存在，相关的理论和建模工作仍在持续进行中。可以预计，在积累了更多数据的将来，很有希望探测到证据确凿的纳赫兹引力波发射源。
本文节选自《中国国家天文》杂志2023年12月刊。
作者简介：
苟利军，中国科学院国家天文台研究员，中国科学院大学天文学教授。《中国国家天文》杂志执行总编，北京天文学会副理事长。主要研究兴趣为高能天体物理。曾获得中国国家优秀科普图书奖、国家图书馆文津奖以及全国优秀科普微视频一等奖等奖项。
戴昱，国家天文台研究员，博士生导师。研究方向为星系的形成与演化，主要工作集中在利用多波段特别是红外数据对大质量黑洞和宿主星系的观测研究。
原标题：2023年天文学十大进展之纳赫兹引力波发射源