Signatures in the local interstellar medium of electromagnetic radiation produced by neutron star gravitational waves

在星辰之间的寂静深处，在远离太阳保护性气泡的遥远之地，一对航天器数十年来一直在倾听一种微弱而持续的嗡嗡声。这些是旅行者号探测器，它们是首批进入真正的星际介质——即填充在恒星之间广袤气体与尘埃海洋中的人类制造物体。自20世纪80年代中期以来，并在它们跨越被称为日球层顶的边界之后，其仪器一直探测到等离子体振荡——即空间中带电气体的波动——其振动频率约为每秒3,000个周期。四十年来，科学家们一直试图确定这种宇宙噪声的来源。虽然一些理论认为这些波动是由撞击太阳系边缘的太阳风暴引起的，但人们愈发怀疑我们的太阳是否能对在太阳活动消退后依然持续存在的信号负责。问题仍然存在：是什么在深邃的黑暗中产生了这些稳定的低频波？

一项新研究提出了一个激进的答案，认为其来源并非在于我们的太阳系，而是在死寂恒星的剧烈生命之中。研究人员普雷斯顿·琼斯（Preston Jones）、普拉加蒂·普拉丹（Pragati Pradhan）和道格拉斯·辛格尔顿（Douglas Singleton）探讨了一种理论机制，即中子星发射的引力波可能会产生旅行者号所听到的电磁辐射。中子星是质量巨大的恒星在爆炸后留下的极其致密的坍缩核心。其中一些恒星每秒可以旋转数百次，当它们旋转时，会向外发送被称为引力波的空间与时间织构中的涟漪。论文指出，当这些引力波在空间中传播时，它们可以与真空本身发生相互作用，从而产生电磁辐射，作者将这一过程称为“共产生”（co-production）。

这种联系的逻辑依赖于一个涉及频率的具体事件链。旋转最快的中子星大约可以每秒旋转700次。如果这样一颗恒星发射引力波，理论预测这些波的振荡频率将是其自转速率的两倍，即每秒约1,400次。随后，“共产生”理论提出，这些引力波进而会产生两倍于其自身频率的电磁波。这最终导致了一个振动频率约为每秒3,000次的信号，这与旅行者号探测到的等离子体振荡频率完全吻。这种数学上的契合提供了一个令人信服的解释，说明了为什么信号具有这一特定的音调，而此前的基于太阳的理论难以解释这一细节。

然而，作者谨慎地指出，这仅是一个基于理论计算的建议，而非已证实的发现。他们计算出，若要使中子星产生的信号强度足以被旅行者号接收，该恒星必须相对较近，处于约150秒差距（约490光年）的理论极限范围内，并且具有极高的能量。论文将被称为仙后座A（Cassiopeia A）和武宿座Jr.（Vela Jr.）的超新星遗迹列为产生此类高能引力波的可能候选者，尽管文中提到武宿座脉冲星本身距离地球大约是这一估计极限距离的两倍，因此是产生特定旅行者号观测现象的可能性较低的来源。研究人员还考虑了这些信号如何持续数年。他们提出，虽然中子星事件最初爆发的能量可能是短暂的，但由此产生的星际等离子体中的涟漪可能会被恒星间独特的性质所维持，就像一口钟在被敲击很久之后仍能持续鸣响一样。

该研究还观察了旅行者号观测结果的更广泛背景。航天器探测到的宇宙射线（高能粒子）到达的频率，大致匹配了已知中子星旋转过程中出现的“故障”（即旋转速度的突然加快）的频率。这种相关性增加了中子星是旅行者号所见活动的来源这一观点的权重。如果等离子体振荡确实是引力波转化为无线电波的结果，这意味着旅行者号探测器实际上正在充当一种探测器，用于探测目前地球观测站无法观测到的类型的引力波。现有的探测器调谐在更低的频率上，会错过这些快速、高频的信号。

作者强调，该理论最强有力的证据将是同时检测到频率为每秒1,500周期的引力波信号和频率为每秒3,000周期的等离子体振荡。他们检查了2017年夏季的数据，当时旅行者号记录了一次宇宙射线事件和一次等离子体振荡，并注意到当时并未报告引力波信号。然而，论文澄清说，这种未检测到信号的情况，与源头超出了当前探测器的高频灵敏度极限相一致，而非对该时间窗口内特定搜索的明确否定结果。论文最后总结道，虽然证据尚未定论，但“共产生”理论为这个困扰了数十年的谜团提供了一个合理且符合物理规律的解释。它表明，旅行者号所听到的嗡嗡声，是死寂恒星旋转的余音，通过物理定律转化成了可以穿越银河系的声响。