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        通過“宇宙計(jì)時(shí)器”尋找低頻引力波

        2021-07-29 02:27:21
        中國科學(xué)探險(xiǎn) 2021年3期
        關(guān)鍵詞:脈沖星引力波赫茲

        1月11日,據(jù)國外媒體報(bào)道,北美納赫茲引力波天文臺(NANOGrav)宣稱,其發(fā)現(xiàn)了一個可能來源于低頻引力波的信號特征,如果被證實(shí),這將是引力波天文學(xué)的又一大里程碑。

        NANOGrav發(fā)現(xiàn)的信號來自遙遠(yuǎn)的脈沖星。這些脈沖星是快速旋轉(zhuǎn)的致密天體,它的兩極發(fā)出的光束猶如宇宙中的燈塔一般掠過地球。研究人員利用射電望遠(yuǎn)鏡收集了可能由引力波產(chǎn)生的信號數(shù)據(jù)。

        “這個消息非常令人興奮,但研究結(jié)果有待進(jìn)一步驗(yàn)證?!敝袊茖W(xué)院國家天文臺研究員張承民表示。

        找到脈沖星信號時(shí)間差

        “數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的信號令人難以置信卻又興奮?!鄙鲜鲅芯渴紫芯繂T約瑟夫·西蒙說。

        2015年以來,科學(xué)家已利用激光干涉儀引力波天文臺(LIGO)和歐洲室女座引力波天文臺(Virgo)多次探測到引力波信號。疑似低頻引力波信號的現(xiàn)身,為何依然令人如此激動?

        “LIGO探測到的引力波,頻率在幾十赫茲到幾百赫茲,屬于高頻引力波。而NANOGrav尋找的引力波信號,頻率為納赫茲,波長跨越幾個光年的尺度,屬于低頻引力波?!睆埑忻癖硎?,從頻率來看,兩者相差十多個量級。

        張承民介紹,探測納赫茲引力波信號對于研究早期宇宙歷史、驗(yàn)證大爆炸理論、獲得超大質(zhì)量黑洞碰撞并合信息、研究星系合并以及進(jìn)一步研究宇宙各種引力波類型的性質(zhì)等具有重要意義。

        引力波被稱為時(shí)空的漣漪。天文學(xué)家不能通過望遠(yuǎn)鏡直接“看”到它,但可以通過測量其穿過時(shí)空時(shí)造成的影響——物體精確位置的微小變化,來尋找它。

        NANOGrav選擇的研究對象是脈沖星信號。脈沖星是一種我們能探測到的、可靠的宇宙計(jì)時(shí)器。這些小而稠密的致密天體快速旋轉(zhuǎn),以精確的時(shí)間間隔發(fā)出射電波脈沖。

        而引力波則會對這種規(guī)律性造成干擾,因?yàn)橐Σóa(chǎn)生的時(shí)空漣漪會使時(shí)空產(chǎn)生微小的拉伸和收縮。這些時(shí)空漣漪會導(dǎo)致脈沖星信號到達(dá)地球的實(shí)際時(shí)間與預(yù)期時(shí)間之間出現(xiàn)極小的偏差。

        NANOGrav就是通過研究散布在銀河系中許多毫秒脈沖星發(fā)出的規(guī)律信號的時(shí)間特征,即所謂的脈沖星計(jì)時(shí)陣列,來探測由于引力波拉伸和收縮時(shí)空而引起的時(shí)間微小變化,進(jìn)而獲得引力波存在的線索。

        被選中的星可謂百里挑一

        據(jù)介紹,NANOGrav通過研究47顆旋轉(zhuǎn)最穩(wěn)定的毫秒脈沖星創(chuàng)建了脈沖星計(jì)時(shí)陣列。

        為何是這47顆脈沖星?因?yàn)椋⒎撬械拿}沖星都能用來探測這種低頻引力波信號,只有旋轉(zhuǎn)最穩(wěn)定、被研究時(shí)間較長的脈沖星才能實(shí)現(xiàn)探測需求。這些脈沖星每秒旋轉(zhuǎn)數(shù)百次,具有難以置信的穩(wěn)定性,如此才能保證探測引力波所需的精度。

        “目前,天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)3000多顆射電脈沖星。普通脈沖星的穩(wěn)定性不夠,但毫秒脈沖星的穩(wěn)定性非常高,高到幾億年甚至幾十億年才會慢一秒,所以可以利用毫秒脈沖星進(jìn)行高精度測量?!睆埑忻窠忉尩溃壳鞍l(fā)現(xiàn)的毫秒脈沖星數(shù)量在400顆左右,天文學(xué)家會進(jìn)一步從中挑出非常穩(wěn)定的脈沖星作為觀測對象,這47顆毫秒脈沖星便來源于此。

        NANOGrav表示,在其所研究的47顆脈沖星中,有45顆擁有至少3年的數(shù)據(jù)集用于分析。在此次研究中,研究人員在這些數(shù)據(jù)集中發(fā)現(xiàn)了一種低頻噪聲特征,這種特征在多個脈沖星上都是相同的。他們所發(fā)現(xiàn)的時(shí)間變化如此之小,以至于在研究任何單個脈沖星時(shí),證據(jù)都不明顯。但作為整體時(shí),這些不明顯的證據(jù)便意味著一個重要的信號特征。

        “脈沖星的運(yùn)動互相之間本來并沒有相關(guān)性,但引力波穿過銀河系會使它們的運(yùn)動出現(xiàn)一種相關(guān)性或規(guī)律性。這項(xiàng)研究是希望把各種噪聲排除,把這種規(guī)律運(yùn)動的信息尋找出來,從而找出低頻引力波信號。”張承民說。

        得到確切結(jié)論還需幾年

        NANOGrav聲稱,新發(fā)現(xiàn)的信號特征已排除一些引力波以外的來源,比如來自太陽系物質(zhì)的干擾或者數(shù)據(jù)收集中的某些錯誤等。

        為了驗(yàn)證這一疑似低頻引力波信號,研究人員必須在不同脈沖星數(shù)據(jù)之間找到一種獨(dú)一無二的相關(guān)性——兩顆脈沖星數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)程度和它們相對地球的天空方位有關(guān)。但由于信號太弱,目前還沒有發(fā)現(xiàn)這種相關(guān)性的顯著證據(jù),增強(qiáng)信號則需要NANOGrav擴(kuò)展它的數(shù)據(jù)集,以包括數(shù)量更多、研究時(shí)間更長的脈沖星,這就需要增加望遠(yuǎn)鏡陣列的靈敏度。此外,通過將NANOGrav的數(shù)據(jù)與其他脈沖星計(jì)時(shí)陣列實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)匯集在一起,開展國際脈沖星計(jì)時(shí)陣列(IPTA)合作計(jì)劃可能會有助于揭示這種特殊的相關(guān)性。

        目前,NANOGrav正在開發(fā)新的技術(shù),以確保檢測到的信號并非來自其他來源。他們正在建立一種計(jì)算機(jī)模型,幫助檢測信號是否是由引力波以外的效應(yīng)引起,以避免錯誤判斷。

        “用脈沖星計(jì)時(shí)陣列探測引力波需要耐心。我們正在分析十幾年的數(shù)據(jù),但得到確切的結(jié)論可能還需要幾年的時(shí)間?!盢ANOGrav現(xiàn)任主席斯科特·蘭森說。

        需要更多大型望遠(yuǎn)鏡的加入

        這個信號是否真的來源于低頻引力波?張承民認(rèn)為:“目前的研究結(jié)果還處于初步階段,暫時(shí)不能蓋棺定論?!?/p>

        “這項(xiàng)研究實(shí)際上是分析了40多顆毫秒脈沖星的觀測數(shù)據(jù),是數(shù)據(jù)處理的結(jié)果。計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)處理方法、毫秒脈沖星的選擇對研究結(jié)果會產(chǎn)生巨大的影響。要證實(shí)確實(shí)是低頻引力波信號,還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。”張承民說。

        他告訴記者,低頻引力波的探測需要高精度測量,而且需要長時(shí)間的數(shù)據(jù)積累和數(shù)據(jù)分析。加入觀測的大型望遠(yuǎn)鏡數(shù)量越多,望遠(yuǎn)鏡靈敏度越高,數(shù)據(jù)的質(zhì)量就越高,可靠的數(shù)據(jù)積累就越多,進(jìn)而誤差就越小,數(shù)據(jù)的可靠性也就越高。

        張承民介紹,除了北美,目前澳大利亞、歐洲都有望遠(yuǎn)鏡對毫秒脈沖星進(jìn)行監(jiān)測。通過全球其他射電望遠(yuǎn)鏡的加入,為研究團(tuán)隊(duì)提供更多優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù),未來是有可能對這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證的。

        不過也有個不好的消息,在整個研究過程中,NANOGrav利用了美國綠岸射電望遠(yuǎn)鏡和阿雷西博望遠(yuǎn)鏡的觀測數(shù)據(jù)。而305米口徑的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡最近卻垮塌了。

        NANOGrav表示,研究團(tuán)隊(duì)將尋求其他數(shù)據(jù)來源,并加強(qiáng)與國際同行的合作。但失去阿雷西博望遠(yuǎn)鏡,還是會對NANOGrav在未來描述這種背景噪聲并探測引力波信號造成影響。

        “阿雷西博望遠(yuǎn)鏡的精度比較高,它的垮塌使新的數(shù)據(jù)積累受到影響,加大了驗(yàn)證的難度。未來,研究團(tuán)隊(duì)需要聯(lián)合其他望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測,對這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)進(jìn)行進(jìn)一步檢驗(yàn)。”張承民說。

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