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

  • AI动画丨维港潮涌,共话数智向善未来

  • 浙江嘉兴:春风行动助就业

独家策划

推荐阅读
我们并不缺成果、人才与产业雄心,真正要补上的,是那批能将成果带过“最后一公里”的人
2026-04-10 14:38
春风送暖,踏青正当时,但接连不断的喷嚏、鼻痒、眼痒等过敏症状,却让不少人的春日心情打了折扣。
2026-04-10 10:30
“四月不减肥,五月徒伤悲。”春暖花开,网上晒运动、轻食的人多了起来。不少人把减重当作迎接春天的第一件事,尤其对很多女性而言,拥有理想身材的第一步就是减重。
2026-04-10 10:28
9日,国家卫生健康委、中央社会工作部、中央政法委等25部门联合印发《健全社会心理服务体系和危机干预机制实施方案》,部署5方面18项主要任务,明确到2030年基本健全覆盖全人群、全生命周期的社会心理服务体系和危机干预机制。
2026-04-10 09:56
新华社北京4月9日电第十四届全国人民代表大会第四次会议通过了《中华人民共和国生态环境法典》,法典单行本已由人民出版社出版,即日起在全国新华书店发行。
2026-04-10 09:56
就说春耕:老把式一手扶犁,一手扬鞭,汗水顺着脊背往下淌……  再看今朝:铁牛代替了水牛,无人机施肥撒药,手机指挥收割浇水,早已不再是新闻。相信随着越来越多的新技术、新方法走进田野,干农业会越来越安逸,农业这碗饭会越来越有嚼头。
2026-04-10 09:56
人工智能时代,我们如何更好就业创业?如何推动人工智能与就业创业深度融合?第四期光明智库民生论坛,我们邀请专家共同探讨人工智能时代的就业创业这一新课题。
2026-04-09 10:28
2026年的智能驾驶行业,正经历一场意味深长的路线分化。
2026-04-09 10:24
在贵州,无人机的身影成为山地农业的新风景,展现出通用航空业赋能山地农业高质量发展的广阔前景。
2026-04-09 10:12
碳排放看不见、摸不着,却关乎每一场国际气候谈判、每一笔碳关税账单。
2026-04-09 10:09
人工智能在延伸人类能力的同时,也深刻改变着就业创业形态和劳动力市场结构。我们既拥抱着技术进步带来的无限可能,也要理性审视挑战、主动适应变革。
2026-04-09 10:08
构建“科研—科普—科创”融合闭环,让科普全程嵌入新质生产力培育链条,方能破解成果转化低效、创新协同不足等突出问题。
2026-04-09 10:02
从实验室到田间地头,辽宁省农科院为科研院所、高校、种业企业等单位提供种质资源共享服务,打通种质资源转化的“最后一公里”,让良种真正走进千家万户。
2026-04-09 09:50
北京大学先进制造与机器人学院刘珂课题组与杨林课题组合作,从折纸艺术中获得灵感,成功实现了无需外部输入的电子器件智能温度控制,相关指标刷新世界纪录。
2026-04-09 09:47
最近,中国海洋大学教授、青岛海洋生物医药研究院首席科学家于广利远赴智利,只为一株南极褐藻。2014年,青岛海洋生物医药研究院正式运行,BG136成为其孵化的第一个海洋新药项目。
2026-04-08 09:51
4月7日,贵州省贵阳市,北京积水潭医院贵州医院医生在指导患者进行脑机接口康复训练。信息多跑路、群众少跑腿的背后,是西青区紧密型医共体数据互通共享,让信息实时对接、问题协同处置。
2026-04-08 09:49
绿色获得感,源自对优美生态最直观的感受,是看得见、摸得着的民生福祉。绿色获得感,源自生态与产业共促,让绿水青山成为富民兴业的金山银山。绿色获得感,源自城乡融合发展,让良好生态空间全民共享。
2026-04-08 09:44
2月5日,自然资源部组织的中国第42次南极考察队在东南极麒麟冰下湖区域,成功完成我国首次南极冰层热水钻探试验,突破国际极地热水钻探2540米的最深纪录,标志着我国具备在90%以上的南极冰盖和全部北极冰盖开展钻探研究的能力。
2026-04-08 09:43
当前,我国已进入中度老龄化阶段,失能、失智、高龄老年人逐年增多,养老服务需求呈现专业化、多样化、个性化特征。
2026-04-08 09:41
黄色的花在春天更早绽放,是植物经历数亿年的自然进化形成的一系列生存策略。
2026-04-07 10:29
加载更多