脉冲星网络有望探测低频引力波

[ 录入者:Melipal | 时间:2016-03-17 17:50:54 | 作者:Melipal 译 | 来源:NASA | 浏览:1695次 ]

原文标题:Pulsar Web Could Detect Low-Frequency Gravitational Waves

作者:Elizabeth Ferrara   原文来自:NASA   Posted: 2016. 2. 25

编译:Melipal   审校:Linq (编译版权所有,未经许可请勿转载。)

最近激光干涉仪引力波天文台(LIGO)探测到的引力波信号来自两个质量各相当于太阳30倍左右的黑洞并合为一的过程。引力波覆盖了很宽的频率,需要不同的技术来进行探测。北美纳赫兹引力波天文台(NANOGrav)一项新近的研究说明,使用现有射电望远镜,我们可能很快就会探测到低频引力波。

引力波是时空(图中以绿色网格表示)中的涟漪,它是由加速运动的物体(如相互作用的特大质量黑洞)产生的。引力波可以影响脉冲星的射电信号抵达地球所花费的时间。(图片提供:David Champion)

本周发表在《天体物理学报通信》杂志上的一篇论文的第一作者、来自加州帕萨迪那(Pasadena)NASA喷气推进实验室的博士后史蒂芬·泰勒(Stephen Taylor)说:“如果我们可以对遍布全天且数量足够多的脉冲星进行监测,探测到这种信号是可行的。如果能在所有脉冲星中看到同样模式的偏离,就可以发现决定性的证据了。”泰勒与JPL和帕萨迪那加州理工学院的同事一直在研究使用脉冲星探测低频引力波信号的最佳方法。脉冲星是高度磁化的中子星,也就是大质量恒星作为超新星爆发后留下的高速自转核心。

爱因斯坦的广义相对论预言,加速运动的大质量物体会发出引力波(时空涟漪)。相互绕转的特大质量双黑洞会发出纳赫兹频率的引力波辐射,这样的黑洞质量都要比LIGO探测到的信号来源大数百万到10亿倍。这些黑洞都来自单独的星系中心,随后星系发生了并合。黑洞会缓慢靠近彼此,最终并合形成一个超大的黑洞。

当两个黑洞环绕彼此运行时,它们会拖曳着时空本体,并形成向外朝各个方向运动的微弱信号,这就好像是蜘蛛网中的振动一样。当这样的振动通过地球时,它会略略推挤我们的行星,导致地球相对遥远的脉冲星出现漂移。特大质量双黑洞形成的引力波要通过地球需要花费数月到数年,为了探测它们需要进行多年的观测。

泰勒的一名合作者、同样来自JPL的约瑟夫·拉齐奥(Joseph Lazio)说:“星系并合是常见事件,我们认为,宇宙中存在大量拥有特大质量双黑洞的星系,我们应该能够探测到它们。脉冲星让我们可以在两个黑洞螺旋靠近彼此的时候看到这些大质量天体。”

当这些庞大的黑洞距离彼此非常近的时候,引力波波长就变得过短,无法再使用脉冲星进行探测了。eLISA是欧洲空间局正在与NASA合作开发的一项计划,这样的空间激光干涉仪工作频率是可以探测到特大质量黑洞并合发出的信号的。LISA探路者卫星使用了JPL负责管理的稳定推进器系统,当前它正在为未来的eLISA计划测试必需的技术。

对于天文学家来说,发现特大质量双黑洞的迹象是一个挑战。星系的核心拥有众多恒星,甚至庞大的黑洞(大小与太阳系相当)也相形见绌。天文学家要在周边星系的辉光中观测双黑洞的迹象是很困难的。

射电天文学家转而去搜索这些双黑洞发出的引力波信号。2007年,NANOGrav开始观测一系列自转最快的脉冲星,并尝试探测引力波导致的微小漂移。

脉冲星会发出射电辐射束,一些辐射束在星体的每个自转周期内都会扫过地球一次。天文学家探测这种快速的射电辐射脉冲。大多数脉冲星每秒都会自转若干周,但有些毫秒脉冲星的转速要快上数百倍。

来自摩根镇(Morgantown)西弗吉尼亚大学的射电天文学家兼NANOGrav小组成员毛拉·麦克劳林(Maura McLaughlin)说:“毫秒脉冲星信号的抵达时间可以极其准确地预计出来,而我们的仪器可以以每秒1000万分之一的精度测量抵达时间。”

但是来自JPL与加州理工学院的天体物理学家提醒说,要探测微弱的引力波信号,我们可能需要很多脉冲星。来自JPL/加州理工学院研究小组的另一名成员米切尔·瓦利斯内里(Michele Vallisneri)说:“我们就好像是蛛网中心的蜘蛛。我们脉冲星网络上的脉络越多,就约有可能感知到路过的引力波。”

瓦利斯内里称,完成这样的壮举需要国际合作:“NANOGrav当前正在监测54颗脉冲星,不过我们只能看到很少几颗位于南天的脉冲星。我们需要与欧洲和澳大利亚的同行密切合作,来获取此类搜索所需的全天覆盖。”

一个澳大利亚脉冲星研究小组最近报告呈,在分析一组有着最高精度定时测量的脉冲星信号时,他们并未探测到这类信号,因此这一方法的可行性最近得到了置疑。在研究了他们的结果之后,NANOGrav小组确定,报告称的无探测并不是意外,其原因是乐观派的引力波模型以及对过少的脉冲星进行分析的结果。这篇一页的回应最近在arXiv电子预印本网站公布。

虽然存在技术上的挑战,但泰勒很自信地认为,他们的小组走的是正轨。泰勒说:“引力波随时都会扫过地球。考虑NANOGrav与其他国际小组正在监测的脉冲星数量,我们期待着在接下来的10年里能够获得低频引力波清晰而信服的证据。”

NANOGrav是由美国和加拿大超过60名科学家以及超过12家研究机构组成的合作组。小组使用西弗吉尼亚州的NRAO绿堤望远镜以及波多黎各的阿雷西博射电天文台获取的射电脉冲星定时观测来搜索时空本体中的涟漪。2015年,NANOGrav获得了美国国家科学基金会提供的1450万美元经费,来创建并运营一家物理前沿中心。

美国国家科学基金会引力波研究的项目负责人佩德罗·马罗内蒂(Pedro Marronetti)说:“LIGO最近探测到了引力波,而NANOGrav合作组非凡的工作显得尤其要紧且适时。这家由NSF赞助的物理前沿中心意在补足LIGO的观测,将引力波探测的窗口拓展到极低的频段。”

更多信息请访问:http://nanograv.org/

(全文完)

Tags:脉冲星 引力波

责任编辑:Melipal

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