点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:聆听五音俱全的引力波宇宙 | ④脉冲星计时阵引力波探测
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

聆听五音俱全的引力波宇宙 | ④脉冲星计时阵引力波探测

来源:光明网2020-04-23 13:12

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  大家好,我是国家天文台的陆由俊。今天我们接着谈引力波,脉冲星计时阵。

  除了人造的“耳朵”之外,我们还可以利用宇宙中的天然的引力波探测器——脉冲星计时阵(pulsar timing array; PTA)来“听”约在十亿分之一赫兹至百万分之一赫兹的甚低频引力波。

 聆听五音俱全的引力波宇宙 | ④脉冲星计时阵引力波探测 

图:脉冲星艺术想象图(Credit: NASA)

  脉冲星是快速旋转的中子星,同时它们还带有较强的偶极磁场(类似于地球磁场),沿着磁轴方向或者说磁场的两极方向(好比地球磁场的两极)会产生射电辐射。

  一般而言,脉冲星的磁轴与自转轴是不重合的,随着脉冲星的自转,它产生的射电辐射束有可能扫过地球。每当射电辐射束扫过地球时,地球上的射电望远镜就会收到一个射电脉冲。在没有任何噪声或干扰的理想情况下,射电望远镜会接收到一系列间隔相等的脉冲。

  周期约为毫秒级的脉冲星称之为毫秒脉冲星,它们脉冲的周期就相当稳定,几乎是宇宙中最稳定的天然时钟,周期变化率仅为10-20量级,完全可以忽略不计。因此它们产生的脉冲信号的到达时间也是可以被准确预测的。

  而当引力波从毫秒脉冲星与地球之间穿过时,引力波会使地球与脉冲星之间的距离发生微小的变化,使得来自脉冲星的脉冲传播至地球的到达时间也会发生细微的变化。通过观测脉冲到达的时间变化,也就能来探测引力波信号。同时监测很多颗稳定毫秒脉冲星的脉冲到达时间及其变化,就可以准确地测量引力波,这就是所谓的脉冲星计时阵测引力波。

  当然引起脉冲到达时间变化的原因可能不只是引力波,还有许多噪声会影响脉冲的到达时间。不过所幸的是,不同的噪声对不同的脉冲星影响不同,比如有的噪声只存在于部分脉冲星的信号里,有的噪声在不同脉冲星信号里遵循一定的变化规律,而引力波信号则会以特定的模式影响到每一颗脉冲星的脉冲信号到达时间。因此我们就需要通过对多颗脉冲星信号的到达时间的长期监测,来鉴别哪些是噪声,哪些是真正的信号。

  这些脉冲星就形成一个阵列,称之为“脉冲星计时阵”,它的“臂长”可以达到几千至几万光年,用于探测甚低频引力波。

  聆听五音俱全的引力波宇宙 | ④脉冲星计时阵引力波探测

图:PTA艺术想象图(Credit:David Champion)

  这里值得重点指出的是“脉冲星计时阵”中的“阵”指的是脉冲星的阵列,而并非是射电望远镜阵列。原则上来讲,哪怕只要有一台像“天眼”FAST这样大口径、高灵敏度的射电望远镜,对多颗脉冲星进行监测,也是可以做脉冲星计时阵测量的。不过实际观测上,当然是大口径的射电望远镜越多越好,这样不仅能同时监测多颗脉冲星,也能补充其它望远镜观测不到的脉冲星。

  现在的PTA有澳大利亚的帕克斯脉冲星计时阵(PPTA),欧洲脉冲星计时阵(EPTA),北美纳赫兹引力波天文台(NANOGrav)。他们观测了十多年,目前还没观测到引力波信号,但限制了引力波背景信号应小于10-15量级。为了更加充分地利用数据,提高灵敏度,三大脉冲星计时阵列的数据被结合到一起,形成了国际脉冲星计时阵(IPTA)。

  我国的“天眼”(FAST)结合其它40-60米射电望远镜,已经初步成立了中国脉冲星计时阵探测计划。未来将要建设的新疆奇台110米口径的射电望远镜等,也将脉冲星计时阵探测引力波作为它的主要科学目标。另外,低频引力波探测也是我国参与的国际平方公里阵(SKA)的主要科学目标之一。

  PTA可以用来探测星系中心的超大质量双黑洞旋近产生的连续引力波信号,以及来自宇宙中无数超大质量双黑洞的引力波叠加形成的随机背景信号,宇宙早期相变中的拓扑缺陷信号等等。拓扑缺陷会产生宇宙弦,宇宙弦就好比是宇宙中的“琴弦”,“琴弦”的断裂会产生较强的引力波。

  有趣的一点是,脉冲星计时阵列PTA还可以探测引力波的“记忆效应”。通常双黑洞并合后,引力波的应变降为零,也就消失了,但“记忆效应”说的就是,双黑洞并合后,引力波信号虽然恢复平静,却是一个不为零的值。

  今天我们就聊到这里。下一期,我们来谈谈宇宙微波背景辐射实验探测原初引力波。

  主讲人简介:陆由俊,中国科学院国家天文台研究员,中国科学院大学岗位教授,主要研究领域为理论天体物理,包括黑洞物理、引力波天体物理、活动星系核和类星体等。

[ 责编:赵宇豪 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

独家策划

推荐阅读
草案不仅从法律上承认自动驾驶的合法身份,解决了“它是什么”的问题,还为其设立行为规范,发放“法律身份证”。
2026-09-04 09:17
开学后,一些孩子坐进教室才发现,黑板上的字看不清了,验光后发现近视。有些家长听说OK镜可以“晚上戴、白天摘”,还有助于延缓近视进展,准备给孩子配一副。孩子能不能佩戴OK镜?需要注意什么?
2026-09-04 09:32
据《自然》近日报道,根据9月1日联合国环境规划署(UNEP)发布的一份报告,按照当前的排放趋势,本世纪全球气温将较工业化前水平上升约1.8℃,这已是预期的最好结果。
2026-09-04 09:26
人类对寻找地外生命的执着,不仅是要证明人类并非宇宙“孤儿”,更重要的是,这可能带来能源、医学等领域的颠覆性突破。
2026-09-04 09:16
大地测量是国家安全的“隐形防线”,是航空航天和深空探测的“眼睛”,是国家基础设施建设的“尺子”和“秤”。
2026-09-04 09:17
全面了解我国管辖海域基础地质与海底构造特征,服务自然资源管理和国土空间规划“一张图”建设
2026-09-03 11:41
为更好地推动我国流感疫苗的预防接种,中国疾病预防控制中心近日发布《中国流感疫苗预防接种技术指南(2026—2027)》。
2026-09-03 11:39
高温超导带材有了更便宜、更结实的“骨架”。记者2日从中国科学院理化技术研究所获悉,该所科研团队成功研制出高温超导带材新型“骨架”——铁基合金基带(DW01)。用该基带制备的超导带材关键性能指标显著优于传统哈氏合金基带产品,标志着我国在实现高温超导带材核心材料自主可控上迈出重要一步。
2026-09-03 10:38
每天,我们的大脑都要承受成千上万条信息的狂轰滥炸。如果把这些经历和信息全盘照收,大脑很快就会像塞满垃圾文件的电脑一样“死机”。那么,大脑是如何在信息的海洋中去粗取精,只把最重要的事情存进长期记忆的硬盘呢?
2026-09-03 10:38
9月,昴星团伴月、月掩金星、中秋月、海王星冲日等天象将轮番登场。其中备受大家关注的中秋月,既不是“十五圆”,也不是“十六圆”,而是较罕见的“十七圆”。
2026-09-03 10:38
记者13日从国家管网集团获悉,国内首次成品油长输管道顺序输送甲醇现场试验在陕西省咸阳市顺利完成。这标志着我国成品油管道顺序输送甲醇技术实现从理论探索到工程验证的关键跨越,为跨区域绿色甲醇安全、高效输送提供了完整技术方案与实践示范。
2026-09-03 10:38
张国捷介绍,壁虎是研究性染色体演化得天独厚的类群。为此,研究团队选取了22种壁虎开展基因组学分析,其中20个物种的性别决定机制明确,包含3种环境依赖型、6种XY基因型、11种ZW基因型,另有两个外群物种作为对照。研究还发现,上述17个由基因型性别决定的壁虎物种拥有20条性染色体,这些染色体分别起源于17条不同的祖先染色体。
2026-09-03 10:28
开学第一天,浙江省温州市广场路小学“我的暑期科学发现”发布会现场,孩子们正轮流上场展示自己的暑期探究成果。
2026-09-02 12:09
恒星形成率降到约四成,作为重要“气罐”的中性氢却仍保有七成以上。宇宙为何“有气难成星”?
2026-09-02 12:06
9月1日,以“科技改变生活 创新赢得未来”为主题的2026年全国科普月活动全面启动。
2026-09-02 12:21
今年夏天,全国用电负荷持续高位运行,屡创新高。这份“负荷迎峰值、居民却无感”的反差并非偶然,而是得益于我国电力系统的稳定供应,彰显了我国新型能源体系建设的显著成效。
2026-09-02 12:20
作为装置“心脏”的超导磁体性能,往往决定了这些装置能在冲击极限的路上走多远。通上电流的瞬间,超导线圈要承受巨大电磁力的拉扯。此时,一根看上去不起眼的“金属带子”成了决定“心脏”承受力的关键。
2026-09-02 12:12
随着全球气候变化的加剧,干旱已成为威胁森林生态系统稳定与制约林木生长的主要环境因子。
2026-09-02 10:45
中共中央、国务院日前转发了《中央宣传部、司法部关于开展法治宣传教育的第九个五年规划(2026—2030年)》,标志着全民普法正式开启“九五”的新周期。
2026-09-01 09:42
开学季来临,从近红外光醒脑仪、α脑波音频智慧仪,到加入红光模块的哺光台灯、模拟户外远眺的雾视屏……各类宣称能“醒脑”“护眼”的产品在电商平台热卖。他进一步指出,儿童颅骨厚度、密度与成人差异显著,目前尚无任何一项权威神经科学研究支持健康儿童使用此类设备。
2026-09-01 09:36
加载更多