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脉冲星:通往宇宙的新途径

放大字体  缩小字体 2023-07-17 13:51  浏览次数:108 来源:大国新闻网    

像时钟一样精确:银河系中的脉冲星形成了大规模的引力天文台波部分。

天文台通常以地球为基地,通过捕捉光作为信息载体来研究宇宙中的极端过程。但并不是宇宙中所有的过程都会产生光。例如,当星系合并,黑洞相互绕转时,它们会在时空中产生涟漪。

为了测量这种引力波,天文学家使用了一个技巧。他们观测到了脉冲星的光,脉冲星是一类特殊的恒星。这些恒星一起形成了一个几乎和我们的银河系一样大的天文台。

Artist's impression of the measurement of the gravitatio<em></em>nal wave background using pulsars distributed in the Milky Way. The faint echo of distant binary systems of supermassive black holes alters the precise ticking of the cosmic lighthouses.

由马克斯·普朗克引力物理和射电天文学研究所以及印度和日本天文学家组成的一个欧洲研究小组,首次发现了引力波背景起源于宇宙及其星系的形成和演化的证据。

该团队使用了欧洲脉冲星定时阵列和印度脉冲星定时阵列,它们由世界上最灵敏的六个射电望远镜组成。通过这些仪器,研究人员在25年的时间里观察到了一个以前未被探索过的引力波光谱窗口,其波长与银河系中恒星之间的距离相当。

这次观测的目标并不是引力波,而是分布在银河系中的25颗脉冲星,它们构成了迄今为止最大的引力波探测器。这些数据让我们对宇宙及其星系的形成和发展有了新的认识

The Effelsberg 100-metre radio telescope in Germany is part of the European Pulsar Timing Array.

时空的颤抖

引力波以光速传播,导致狭窄的空间和时间网周期性地拉伸和挤压。波长为几光年的引力波背景最可能的起源是具有数百万到数十亿太阳质量的二元黑洞系统的宇宙分布。

它们是在早期宇宙中星系频繁碰撞和合并时形成的。在这个过程中,来自这些星系中心的超大质量黑洞相互靠近,形成了紧密的双星。

地球上的引力波探测器已经被开发出来,用来测量当两个恒星质量黑洞的轨道靠近并最终合并时产生的较短波的影响。来自活跃的早期宇宙的长引力波不能直接从地球上测量,但它们确实改变了脉冲星的时钟频率。

LIGO laboratory detection site near Hanford in eastern Washington.

宇宙灯塔

脉冲星是恒星的残余物,就像宇宙灯塔一样,在绕轴旋转的同时向两个相反的方向发射射电光。如果射电波束的锥形经过地球,脉冲星就可以通过它的周期性射电脉冲来测量。

“脉冲星是极好的天然时钟。我们利用它们信号令人难以置信的规律性来寻找它们的微小变化,以探测来自遥远宇宙的引力波对时空的细微拉伸和挤压,”马克斯普朗克射电天文学研究所的大卫钱皮恩说。在这里,结果是基于25颗脉冲星的子集,这些脉冲星对引力波背景具有最大的灵敏度。

这些结果是基于欧洲和印度六个最大的射电望远镜数十年的协调观测活动。这些是Effelsberg(德国)的100米射电望远镜,Westerbork合成射电望远镜(荷兰),Jodrell Bank天文台的Lovell望远镜(英国),撒丁岛射电望远镜(意大利),nanay射电望远镜(法国)和印度的巨型米波段射电望远镜。

Artist’s impression of the Double Pulsar system and its effect on spacetime. The spacetime curvature (shown in the grid at the bottom) is highest near the pulsars. As they orbit one another, these deformations propagate away at the speed of light as gravity waves, carrying away orbital energy. By counting each time the pulsed beam of radio emission sweeps over the Earth, we can track the slowly shrinking orbit.

马克斯·普朗克引力物理研究所的乔纳森·盖尔说:“脉冲星定时阵列使用天体物理物体作为探测器,分析脉冲星定时阵列的数据很复杂。”

虽然你可以在地球上操纵和优化探测器,但对于快速旋转的恒星来说,这是不可能的。为了将引力波作为脉冲星定时信号中的微弱信号进行探测,研究人员需要精确地了解他们从脉冲星接收到的周期性射电光,以及它们的时钟频率的不准确性。

他们还利用他们长期以来对引力波特性的了解,引力波在空间中传播,并影响位于该空间内的脉冲星。因此,可以预期,观测到的脉冲星的时间变化在某种程度上是相互联系的。这种相关性是否在数据中可见是一个统计学问题。

确定还是不确定?

根据物理学的黄金标准,测量到的信号,即所有观测到的脉冲星时钟偏离标准的模式,只有在它不是一个概率为99.99997%的随机信号的情况下才能得到可靠的证明。

因此,期望得到的这样一个信号纯粹是偶然出现的,在百万分之一的测量中才会出现一次。由于这很难在实践中得到验证,科学家们在计算机上模拟了所有脉冲星的标准循环信号,以应对没有引力波存在来改变这些信号的特定情况。

欧洲脉冲星定时阵列的测量结果——以及其他国际合作的测量结果——还没有达到黄金标准。为了获得最终的确定性,研究小组计划将他们的数据集合并成一个单一的、更全面的数据集,在国际脉冲星定时阵列的保护下。

这将包括对100多颗脉冲星和13架射电望远镜的观测,并可能足以在未来为引力波背景的存在提供无可辩驳的证据——引力波背景是宇宙演化中一个重要阶段的见证。

来源:英里/加仑

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