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用脉冲星网格探测低频引力波

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:5

    用脉冲星网格探测低频引力波

    最近,激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到了由两个质量约为太阳30倍的黑洞合并所时产生的引力波。由于引力波频率跨度广,探测不同波段引力波需要引进不同的技术手段。北美纳赫兹引力波天文台(NANOGrav)的一项新研究表明,不久的将来,现有的射电望远镜能探测到低频引力波。

    这项研究刊登于本周的《天文物理学快报》(AstrophysicalJounralLetters)。其主要作者StephenTaylor表示:“如果我们可以监测数量足够多的、遍布各个天区的脉冲星,就有可能探测到引力波信号。”StephenTaylor是NASA喷气推进实验室(JetPropulsionLaboratory,JPL)的一名博士后研究员,他说:“如果所有脉冲星都出现相同的偏移模式,我们就找到了低频引力波的确凿证据。”Taylor与来自JPL和加州理工学院的同事一直寻找利用脉冲星探测低频引力波信号的最佳方案。脉冲星是高度磁化的中子星,是大质量恒星发生超新星爆发后残留的急速旋转的核心。

    爱因斯坦的广义相对论预言,加速的大质量物体会产生时空涟漪——引力波。纳赫兹引力波来自相互绕转的超大质量黑洞。这些黑洞的质量是LIGO观测的黑洞质量的百万倍甚至十亿倍。它们分别诞生于两个撞在一起的星系的中心,彼此正缓慢靠近,最终将合并成一个超大的黑洞。

    黑洞在相互绕行中会扭曲周围的空间结构并产生向四面八方传播的微弱信号,就如同蜘蛛网上的振动。当信号经过地球时,引力波将轻轻地推动地球,使地球相对于远处的脉冲星出现位移。超大质量双黑洞系统产生的引力波,一个波峰或波谷要穿过地球需要数月或几年的时间,对这些引力波的观察也要花费多年时间。

    论文的另外一个作者JosephLazio是Taylo在JPL的同事,他表示说:“星系并合是常见现象。我们相信能探测到隐藏在许多星系中的超大质量双黑洞系统。通过脉冲星,我们将看到沿着螺旋轨道缓慢靠近的此类大质量天体。”

    但这些巨型黑洞之间距离变得很小时,黑洞发射的引力波波长将变得很短,无法再通过脉冲星探测。太空激光干涉仪,如欧洲航天局与NASA的联合项目eLISA将用来探测这个波段的引力波,从而寻找超大质量黑洞合并时发出的信号。LISA探路者任务中由JPL负责的稳定推进器系统正在接受技术测试,以服务于未来的eLISA任务。

    寻找超大质量双黑洞系统的证据对天文学家来说是一个挑战。由于星系中心包含许多恒星,而且即使是质量非常巨大的黑洞也很小,与太阳系差不多。在耀眼的星系背景中寻找双黑洞的可视信号极为困难。

    射电天文学家转而寻找双黑洞引的力信号。在2007年,NANOGrav开始观测一组急速旋转的脉冲星,试图探测由引力波造成的微小位移。

    脉冲星会发出射电波束,部分脉冲星每旋转一圈其波束就扫过地球一次。天文学家观测到的就是高频射电脉冲。大多数脉冲星每秒旋转数圈,但是有些被毫秒脉冲星的转速还要快上数百倍。

    西弗吉尼亚大学的射电天文学家、NANOGrav团队的成员MaraMcLaughlin表示:“毫秒脉冲星的脉冲到达时间是极为准确稳定的,而且我们仪器对其测量精度可以达到十万分之一秒、因此,我们可以利用它们测量地球位置的微小变化。”

    但JPL与加州理工学院的天体物理学家警告说,探测微弱的引力波需要的可能不止是几个脉冲星。研究团队的另一名成员MicheleVallisneri说:“我们就像蛛网中心的蜘蛛,我们的脉冲星网上的线越多,当引力波经过时,我们就越有可能探测到它。”

    Vallisneri表示要实现这个目标需要国际合作。“NANOGrav目前正监测着54颗脉冲星,但我们仅能探测到部分南半球天空。我们需要与欧洲和澳大利亚的同事紧密合作才能达到这种搜寻所需的全天覆盖。”

    最近,一个澳大利亚脉冲星研究团队对此种方案的可行性提出了质疑。他们根据最为精确的时间测量对一组脉冲星进行了分析,仍没能检测到引力波信号。考察了这项研究的结果后,NANOGrav团队认为说该研究的零结果是意料之中的,原因是这个团队采用了乐观的引力波模型,而且分析的脉冲星数量过少。NANOGrav团队在预印本库网站arXiv上发布一页内容的回应。。

    尽管存在着技术挑战,Taylor相信他们团队正沿着正确的道路前进。Taylor表示:“引力波一直在扫过地球,考虑到NANOGrav与其他国际团队观测的脉冲星数目,我们期待在接下来的十年中得到清楚且让人信服的低频引力波证据。

    来自美国与加拿大十余家机构的60多个科学家参与了NANOGrav合作项目。团队利用位于西弗尼吉亚NRAO的绿岸射电望远镜(GreenBankTelescope)与波多黎各的阿雷西博射电望远镜(AreciboRadioObservatory)进行脉冲星计时观测,搜索时空的涟漪。2015年,美国国家科学基金会(NationalScienceFoundation)为NANOGrav拨款1450万美元来建立并运行一个物理前沿中心。

    科学基金会的项目主管,PedroMarronetti表示:“LIGO最近发现了引力波,NANOGrav的杰出工作与之关系紧密,且时间上恰到好处。NSF资助的物理前沿中心以准备好为LIGO的观测提供补充,把引力波观测窗口拓展至极低频波段。”(翻译:刘璋诚校审:张程)

    原文链接:https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?release=2016-049

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