通过“宇宙计时器”寻找低频引力波

来源: 科技日报 日期:2021-03-01

   

  图中绿色网格表示引力波产生的时空涟漪,这些涟漪会影响来自脉冲星的无线电信号到达地球的时间。NASA

  LIGO探测到的引力波,频率在几十赫兹到几百赫兹,属于高频引力波。而NANOGrav寻找的引力波信号,频率为纳赫兹,波长跨越几个光年的尺度,属于低频引力波。

  张承民

  中国科学院国家天文台研究员

  1月11日,据国外媒体报道,北美纳赫兹引力波天文台(NANOGrav)宣称,其发现了一个可能来源于低频引力波的信号特征,如果被证实,这将是引力波天文学的又一大里程碑。

  NANOGrav发现的信号来自遥远的脉冲星。这些脉冲星是快速旋转的致密天体,它的两极发出的光束犹如宇宙中的灯塔一般掠过地球。研究人员利用射电望远镜收集了可能由引力波产生的信号数据,相关研究结果发表于《天体物理学快报》。

  “这个消息非常令人兴奋,但研究结果有待进一步验证。”中国科学院国家天文台研究员张承民在接受科技日报记者采访时表示。

  找到脉冲星信号时间差 

  “数据中出现的信号令人难以置信却又兴奋。”上述研究首席研究员约瑟夫·西蒙说。

  2015年以来,科学家已利用激光干涉仪引力波天文台(LIGO)和欧洲室女座引力波天文台(Virgo)多次探测到引力波信号。疑似低频引力波信号的现身,为何依然令人如此激动?

  “LIGO探测到的引力波,频率在几十赫兹到几百赫兹,属于高频引力波。而NANOGrav寻找的引力波信号,频率为纳赫兹,波长跨越几个光年的尺度,属于低频引力波。”张承民表示,从频率来看,两者相差十多个量级。

  张承民介绍,探测纳赫兹引力波信号对于研究早期宇宙历史、验证大爆炸理论、获得超大质量黑洞碰撞并合信息、研究星系合并以及进一步研究宇宙各种引力波类型的性质等具有重要意义。

  引力波被称为时空的涟漪。天文学家不能通过望远镜直接“看”到它,但可以通过测量其穿过时空时造成的影响——物体精确位置的微小变化,来寻找它。

  NANOGrav选择的研究对象是脉冲星信号。脉冲星是一种我们能探测到的、可靠的宇宙计时器。这些小而稠密的致密天体快速旋转,以精确的时间间隔发出射电波脉冲。

  而引力波则会对这种规律性造成干扰,因为引力波产生的时空涟漪会使时空产生微小的拉伸和收缩。这些时空涟漪会导致脉冲星信号到达地球的实际时间与预期时间之间出现极小的偏差。

  NANOGrav就是通过研究散布在银河系中许多毫秒脉冲星发出的规律信号的时间特征,即所谓的脉冲星计时阵列,来探测由于引力波拉伸和收缩时空而引起的时间微小变化,进而获得引力波存在的线索。

  被选中的星可谓百里挑一 

  据介绍,NANOGrav通过研究47颗旋转最稳定的毫秒脉冲星创建了脉冲星计时阵列。

  为何是这47颗脉冲星?因为,并非所有的脉冲星都能用来探测这种低频引力波信号,只有旋转最稳定、被研究时间较长的脉冲星才能实现探测需求。这些脉冲星每秒旋转数百次,具有难以置信的稳定性,如此才能保证探测引力波所需的精度。

  “目前,天文学家已发现3000多颗射电脉冲星。普通脉冲星的稳定性不够,但毫秒脉冲星的稳定性非常高,高到几亿年甚至几十亿年才会慢一秒,所以可以利用毫秒脉冲星进行高精度测量。”张承民解释道,目前发现的毫秒脉冲星数量在400颗左右,天文学家会进一步从中挑出非常稳定的脉冲星作为观测对象,这47颗毫秒脉冲星便来源于此。

  NANOGrav表示,在其所研究的47颗脉冲星中,有45颗拥有至少3年的数据集用于分析。在此次研究中,研究人员在这些数据集中发现了一种低频噪声特征,这种特征在多个脉冲星上都是相同的。他们所发现的时间变化如此之小,以至于在研究任何单个脉冲星时,证据都不明显。但作为整体时,这些不明显的证据便意味着一个重要的信号特征。

  “脉冲星的运动互相之间本来并没有相关性,但引力波穿过银河系会使它们的运动出现一种相关性或规律性。这项研究是希望把各种噪声排除,把这种规律运动的信息寻找出来,从而找出低频引力波信号。”张承民说。

  得到确切结论还需几年 

    A+
声明:本文转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表赞同其观点和对其真实性负责。