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        用脉冲星高精度的计时观测探测引力波

        王建成 汪敏

        2019年04月12日10:29  来源£º人民网-科?#35745;?#36947;
         

        广义相对论预言的引力波

        1919年£¬爱因斯坦的广义相对论就预言了引力波的存在¡£在广义相对论中£¬引力被描述成时空弯曲的几何效应£¬而物质和能量的分布引起时空的弯曲¡£

        加速运动的物体会引起时空曲率的扰动£¬并以光速传播出去£¬这种现象就是引力波£¨图1£©¡£引力波能无阻碍地在宇宙中传播£¬携带其产生源的保真信息¡£

         

         图1 引力波的形象图£¬时空的¡°涟漪¡±

        引力波天文学时代的到来

         

        图2 两地的LIGO探测器观测到GW150914的引力波信号

        2015年9月14日£¬美国的激光干涉仪引力波天文台£¨以?#24405;?#31216;LIGO£©分别位于路易斯安那州和华盛顿州的两个探测器几乎同时捕捉到一个引力波信号£¨图2£©¡£这个被命名为GW150914的事件来自于距离地球十几亿光年之外的两个恒星量级黑洞的并合¡£

        这是人类首次直接探测到引力波和黑洞的碰撞与并合过程¡£这个重大发现打开了一扇观测宇宙的新窗口£¬意味着引力波天文学时代的到来¡£

        2017年8月17日£¬LIGO探测到GW170817的引力波信号£¬并观测到电磁波的对应体£¬发现引力波来自两个中子星的并合£¬首次实现天体的引力波和电磁波的多信使观测¡£

        目前引力波探测的4个频段

        理论研究表明引力波的频率?#27573;?#38750;常宽£¬它由不同的引力波源贡献£¬目前正在实施或计划的引力波探测项目主要关注以下四个频段£º

        £¨1£©高频£¨10-103赫兹£©£¬探测器是以LIGO为代表的地基激光干涉仪£¬重要引力波源是?#26053;?#21452;星£¨中子星和恒星级黑洞£©£»

        £¨2£©低频£¨0.1-100毫赫兹£©£¬探测器是以LISA为代表的空间激光干涉仪£¬重要引力波源是大质量双黑洞£¨104-107太阳质量£©£»

        £¨3£©甚低频£¨1-100纳赫兹£©£¬探测方式是利用大口径射电望远镜开展脉冲星的高精度计时观测£¬重要引力波源是超大质量黑洞£¨106-109太阳质量£©£»

        £¨4£©极低频£¨10-18-10-15赫兹£©¡£探测方式是宇宙微波背景辐射的偏振测量£¬主要探测宇宙早期引力场的量子扰动产生的¡¢暴涨时期被放大的原初引力波¡£

        脉冲星计时观测与引力波

         

        图3 观测多颗的脉冲星£¬形成计时阵£¬捕捉经过的引力波信号 

        脉冲星是带?#26143;?#30913;场的旋转中子星£¬目前已知的脉冲星有2500余颗£¬它们的自转周期从1.4毫秒至8.5秒£¬其中自转周期小于20毫秒的脉冲星有300余颗£¬这类毫秒脉冲星是极其稳定的天然时钟£¬周期变化率一般在10-20量级¡£脉冲星计时观测就是测量毫秒脉冲星的脉冲信号的到达时间¡£

        单个脉冲通常很不稳定而且非常微弱£¬而大量的脉冲叠加在一起却具有非常稳定的轮廓¡£那么脉冲星计时观测如何测量引力波£¿

        实际上£¬引力波会引起所传播时空的变形£¬当有引力波通过地球与脉冲星之间的时候£¬脉冲星发出的射电波所经过的路径就会被周期性地压缩和拉长£¬导致望远?#21040;?#25910;到的脉冲信号出?#31181;?#26399;性地早到和延迟¡£对脉冲到达时间进行长期监测£¬就有希望捕捉到引力波信号¡£

        然而£¬仅观测一颗脉冲星是不够的£¬因为许多噪声会掩盖引力波信号£¬但单颗脉冲星的观测可以用来限制可能存在于数据中的引力波信号强度£¬为此£¬天文学家提出脉冲星计时阵的概念£¬即同时监测多颗脉冲星£¨图3£©£¬寻找引力波对不同脉冲星计时信号造成的相互关联影响¡£

        消除各种噪声干扰

        引力波探测的主要挑战是引力波的信号太弱£¬通常被掩藏于各种噪声之中¡£对于某一颗脉冲星的计时信号噪声£¬包括望远镜观测?#20302;?#33258;身的噪声¡¢射频干涉¡¢脉冲轮廓不稳定引起的噪声¡¢脉冲星自转不稳定引起的噪声¡¢星?#24335;?#36136;引起的噪声等¡£

        另外£¬时间标准的不稳定性和太阳系星历表的不准?#33539;?#20250;导致观测数据中出现相互关联的噪声¡£

        幸好£¬通过观测足够多的脉冲星£¬引力波引起的计时残差的相关性可以从这些噪声中分离出来¡£

        目前世界上的脉冲星计时阵观测项目

        现在全世界一共有三个脉冲星计时阵的观测项目£º

        £¨1£©PPTA项目£¬采用澳大利亚65米Prakes射电望远镜£¬已对20颗毫秒脉冲星进行了5年以上的计时观测£»

        £¨2£©EPTA项目£¬采用德国100米Effelsberg¡¢英国76米Lovell¡¢法国94米Nancay¡¢荷兰96米Westerbork射电望远镜等£¬已观测42颗毫秒脉冲星£¬其中22颗有5年以上的计时观测£»

        £¨3£©NANOGrav项目£¬采用美国305米Arecibo和100米Green Bank射电望远镜£¬已对45颗毫秒脉冲星进行了11年的计时观测£¬利用数据开展了引力波背景的初步探讨¡£

        这些项目都通过提高计时精度或降低噪声水?#20581;?#37319;集更多的计时数据点和观测更多的脉冲星£¬来提高脉冲星计时阵探测引力波的灵敏度¡£

        2016年£¬国际脉冲星计时阵合作组发布了第一次数据£¬意味着纳赫兹引力波探测向前迈出了非常重要的一?#20581;?/p>

        纳赫兹引力波源

        纳赫兹引力波的重要源是超大质量黑洞£¬正在并合的超大质量双黑洞具?#26143;颗?#26354;的时空和相对论性运动£¬它们产生时空的强扰动或涟漪£¬即宇宙中最强的引力波信号¡£与恒星级黑洞双星并合产生引力波的波形相似£¬但具有更长的时间变化和更大的变化幅度£¬其信噪比可达103£¬远高于恒星级黑洞产生的引力波幅度£¨信噪比10左右£©¡£

        以引力波探测作为信使£¬将变革我们对超大质量黑洞的诞生¡¢增长和演化的认识£¬以及它们对宇宙结构形成的作用的认识¡£目前我们对超大质量黑洞的认识主要来自对不同演化时期活动星系核或类星体的电磁波观测¡£

        在宇宙黎明时期£¨红移大约20£©的物理过程不能通过电磁波观测研究£¬这时宇宙是不透明的£¬直至红移z=7.5才透明¡£目前发现最远距离的类星体是红移大于7£¬这对它们在不透明时代的形成给出重要限制¡£引力波观测将成为揭示宇宙黎明时期超大质量黑洞的存在和物理的主要手段¡£

        另外£¬通过测量黑洞自旋和角动量的夹角£¬可以收集超大质量黑洞与周围环境的相互作用£¬了解双黑洞的演化是否由周围气体驱动¡£

        特别地£¬气体可以对黑洞自旋施加?#32435;?#21147;矩£¬使黑洞自旋方向与气体角动量趋同£¬这也对并合产生超大质量黑洞的命运有重要意义£¬而且正在并合超大质量双黑洞的并合率和性质与它们的寄主星系关联¡£纳赫兹引力波可能还包括其它成分的贡献£¬如宇宙弦产生的引力波和原初引力波等¡£

        除了引力波探测£¬高精度脉冲星计时观测还有其它用途£¬如双星?#20302;?#21644;中子星质量的研究¡¢脉冲星位置和空间速度测量¡¢广义相对论检验¡¢电离星?#24335;?#36136;分析¡¢建立独立的时间标准¡¢寻找太阳?#30340;?#30340;天体和深空导航等£¬具有重要的科学价值¡£

        中国在纳赫兹引力波探测方面将有所作为

         

        图4 位于云南省景东县哀牢山的徐家坝水库旁的候选台址

        贵州500米口径球面射电望远镜£¨FAST£©的建成和云南景东120米脉冲星望远镜的规划建设£¬将引领我国纳赫兹引力波探测的发展¡£

        两架望远镜的组合观测£¬将显著增加毫秒脉冲星的观测数目£¬极大提高纳赫兹引力波探测灵敏度£¬通过长期和大量脉冲星的观测£¬有望探测到第一个纳赫兹引力波信号¡£

        中国科学院云南天文台经过多年选址£¬发现云南省景东县徐家坝是世界上稀缺的低纬度¡¢无线电环境宁静的优良台址£¨图4£©£¬并提出建设120?#20857;?#21487;动脉冲星射电望远镜¡£

        它观测脉冲星的综合性能比目前世界最大的百?#20934;度?#21487;动射电望远镜Effelsberg和Green Bank提高近一倍£»它与FAST望远镜组合观测£¬将成为观测脉冲星的天区最广¡¢灵敏度最高的望远镜£¬全面超越国际上三个脉冲星计时阵项目¡£

        该望远镜预计投资经费3.5亿元£¬建设周期3年£¬将是科学意义重大¡¢投资效率高的望远镜¡£

        £¨作者单位£º中国科学院云南天文台£©

        (责编£º卢静(实习生)¡¢熊旭)

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