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

  • 龙羊峡畔的高原“渔光曲”

  • 昔日盐碱地 秋日绽斑斓

独家策划

推荐阅读
10月20日,记者从中国工程物理研究院北京高压科学研究中心了解到,该中心联合广东省科学院组成的研究团队,日前在广东省肇庆市德庆县发现了一处小行星撞击形成的地质遗迹——金林陨石坑。
2025-10-21 09:49
美国西雅图华盛顿大学的Grace Hendricks和同事证明,一种mRNA版本的新冠纳米颗粒疫苗在小鼠体内产生的免疫反应是标准mRNA疫苗的28倍。
2025-10-21 09:42
10月17日,中国科学院国家天文台举办“用于太阳磁场精确测量的中红外观测系统”(AIMS)研制总结暨未来科学规划研讨会。”
2025-10-21 09:39
单日就可最多烘干稻谷5000吨。
2025-10-21 09:28
农业农村部20日宣布,从当前开始到冬至(12月21日),启动实施奋战60天抗秋汛抢麦播促壮苗行动。
2025-10-21 09:24
农业保险作为灾后恢复生产的重要政策工具,如何更好守护农民“钱袋子”?
2025-10-20 09:55
安徽师范大学校长熊宇杰教授联合中国科学技术大学相关科研团队,成功创制出亚纳米级高熵合金,这一方法具备广泛普适性,可制备包含多达十种金属元素的高熵合金。
2025-10-20 09:51
财政部日前发布的2025年前三季度财政收支情况显示,前三季度,全国一般公共预算支出208064亿元,同比增长3.1%。
2025-10-20 09:49
中国科学技术大学毕国强教授团队17日在《科学》杂志发表一项神经科学领域的突破性研究成果,揭示了大脑高效传递信息的“微观密码”。
2025-10-20 09:43
高校是科技创新体系的重要组成部分,高校科研人员是推进科技创新的重要人才队伍。
2025-10-20 09:41
世界气象组织(WMO)近日报告称,2024年的大气二氧化碳浓度创下历史最大增幅,达到有记录以来的最高水平。” 
2025-10-17 09:51
10月17日,《科学》发表了庾强团队的一项重要成果。
2025-10-17 09:46
据国家粮食和物资储备局最新发布的消息,今年夏粮旺季收购已于9月底结束,累计收购小麦10795万吨。
2025-10-17 09:42
监测显示,15日新疆、西藏、青海、甘肃、内蒙古等地出现7至8级大风,局地阵风10级;新疆、内蒙古中东部、黑龙江、吉林、辽宁等地最高气温下降6℃至10℃,局地12℃以上。
2025-10-17 09:41
10月14日,随着满深502-H3井钻头穿透8380米地层,这口历经岩层卡阻、垮塌风险与高含硫考验的超深井成功完钻,成为塔里木油田“十四五”期间第223口8000米级超深井。
2025-10-17 09:38
高分辨光谱成像芯片“玉衡”,实现了亚埃米级光谱分辨率、千万像素级空间分辨率的快照光谱成像。
2025-10-16 09:50
10月13日至15日,第十四届中国国际专利技术与产品交易会在大连举行。近日,天津市河东区大王庄街社区卫生服务中心完成了天津市国产九价HPV疫苗的首针接种,而这背后,离不开专利技术的支撑。
2025-10-16 10:06
10月的上海淀山湖波光粼粼,岸边的东方绿舟国防园已万事俱备,只待“2025年全国青少年智能无人系统应用大赛(IUSAC2025)”拉开帷幕。
2025-10-16 09:48
到2027年底,在全国范围内建成2800万个充电设施,提供超3亿千瓦的公共充电容量,满足超过8000万辆电动汽车充电需求,实现充电服务能力的翻倍增长。
2025-10-16 09:48
我国自主研发的新一代超高速实时示波器正式发布,其带宽突破90GHz、达到国际先进水平,这标志着全球电子通信产业迎来超高速信号“中国标尺”。
2025-10-16 09:44
加载更多