宇宙中的奇异天体：新一轮引力波探测将寻找凹凸不平的中子星

一个世纪前，爱因斯坦曾预言时空中有着幽灵般的涟漪，一个世纪后，这阵涟漪终于被先进的天文台探测到——那就是引力波，引力波引发了天体物理学的一场革命，揭示了黑洞融合和中子星融合的隐秘细节。而现在，科学家们利用这些引力波打开了宇宙的另一扇新窗户，为确定中子星的精确形状提供了新的视角，这一结果将有助于研究人员继续探索这些奇异物体的内部结构。

到目前为止，华盛顿和路易斯安那州的激光干涉引力波天文台(LIGO ，Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) )和意大利的室女座引力波天文台(Virgo gravitational-wave observatory)已经探测到11个引力波事件。在这些事件中，有10个来自于双黑洞的合并，1个来自于两颗中子星的合并，而在所有事件中，波的形式都符合爱因斯坦广义相对论的预测。

对于双黑洞融合事件，经过的波持续了不到一秒钟;对于中子星融合事件，辐射持续了大约100秒。但是这样的快速脉冲并不是唯一一种可以穿过宇宙的引力波，单独的中子星在自旋过程中可能也会发出可探测到的引力波，它们的自旋信号可能揭示出该天体地形和内部组成的重要新细节。

中子星是恒星的尸体，是超新星爆炸时留下的灰烬。这类爆炸的力量压缩了这颗即将耗尽的恒星的核心，将其转化为一个超密度中子球，其质量略大于太阳，但其直径仅为20公里左右。

理论计算和观测证据都表明，中子星的极端物理起源可能使它们成为目前存在的最理想的球形宏观天体(离完美只有非常小的差距)。然而，这些很小的瑕疵也可以造成严重的后果。例如，由于星体外部透明地壳中的几条裂缝，或者在恒星磁极(不一定和自转轴重合)的吸积物，中子星表面可能会形成比地面高几厘米的“小山”，在这种情况下，中子星偏离球形的程度将取决于它的“状态方程”——一种表示恒星半径、质量和超强磁场之间关系的度量标准。

但是“人们确实期望探测到来自于恒星大规模(不对称)变形的重要引力波，而不仅仅只是一个小的凸起或小山包，”剑桥大学的Nathan Johnson-McDaniel说，他是研究中子星的LIGO科学合作组织的其中一个成员。人们也预计会探测到仅仅是由于中子星自转造成的一些轻微不对称，这类似于地球赤道由于离心力推离自转轴造成的隆起。(一些中子星自转非常地快，以至于它们表面的一个点可能会以十分之一光速的速度运动。)

无论如何出现，任何摆动都会不断地产生引力波，物理学家称之为“连续引力波”。它们会比迄今为止从合并中观测到的引力波弱100倍左右，而引力波本身与平坦时空的偏差本来就微乎其微，约为十万亿亿分之一(10-21)。LIGO在2016年11月到2017年8月间进行了第二次观测，干涉仪在整个天空中搜索连续引力波，然后LIGO团队成员抽取了大约四个月时间的信号数据进行筛选，过滤掉了小地震、甚至路过卡车等地面小故障产生的噪音误报。数据分析花费了3000多万个CPU小时——总共超过3000年。今年3月，这一详尽的搜索结果发表在一份在线预印本上。

利用改进过的数据筛选算法，研究人员(超过1000人)对中子星的椭圆度设定了新的、独立的上限——中子星偏离完美球体的距离。他们分析的要点是，在距地球约3万光年的范围内，没有一颗中子星的完美球形偏差似乎大于百万分之一。确实，存在于这些奇异天体上的任何山丘，肯定都是极其微小的鼠丘。

南安普敦大学的应用数学家尼尔斯·安德森(Nils Andersson)并不是LIGO合作项目的成员，但他表示，这项研究需要有一定的背景。他说，对已知的脉冲星(快速旋转的中子星，能发出类似于灯塔的射线)的研究已经对椭圆度进行了限制，比这项研究的椭圆度要高出1000倍左右。即便如此，“可能有一群中子星没有发出(可探测到的)电磁辐射”——它们太暗了，或许是因为它们的磁场较弱。安德森说，这些假想恒星发射出的连续引力波可能是天文学家可以看到它们的唯一方式。“这是一个很难回答的问题，涉及到恒星的弹性地壳如何产生张力，以及恒星内部磁场如何演化……我们不知道如何解决这个问题。”

尽管这次最新的搜索没有发现任何连续引力波，但通过筛选第二次观测运行的数据所获得的知识，科学家们可以减少在未来数据集进行类似搜索所需的非常昂贵的计算机时间。灵敏度的提高可以让人们成功地窥视到一个在很大程度上未经涉足的领域。印第安纳大学布卢明顿分校的查尔斯·霍洛维茨不是LIGO或Virgo合作项目的成员，但他说:“我对这个和其他有前景的全天引力波搜索感到兴奋。引力波天空在很大程度上是未知的，它可能包含真正的惊喜，可能是非同寻常的发现。”

高级LIGO的第三个观测周期将从四月开始，改进过的室女座引力波天文台也将会再次扩大观测范围。这次最新的观测活动将持续一年，所有仪器的灵敏度都将会提高40%，从而使科学家可以搜索到大约3亿光年之外的双黑洞合并活动。

除了期望观察到更多的双星合并，灵敏度的提高和更长的运行时间也将允许科学家对连续引力波进行更深入的搜索。“旋转中子星产生的连续引力波最终将会被发现，我对此感到很乐观”霍洛维茨说，“这将为我们提供关于这两个问题的重要信息。”