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

  • 北京刑警举行“五四青年节辩论赛”

  • 2026年“中华美食荟”活动启动

独家策划

推荐阅读
2010年,舒易来获得赴美国哈佛大学麻省眼耳医院联合培养的机会,在该院陈正一教授课题组继续开展耳聋治疗研究。2014年,舒易来带着最前沿的基因编辑理念回到复旦大学附属眼耳鼻喉科医院,继续探索耳聋治疗的新方法。
2026-04-29 10:43
一张4厘米见方、6微米厚的薄膜贴附于大脑功能区表面的硬脑膜外,就能采集到大脑信号。“北脑一号”已在研究者发起的临床研究中完成7例患者植入手术,器械在人体内累计工作时长超4.5万小时,初步验证产品的安全有效性。
2026-04-29 10:38
生物医药基础科研水平大幅提升。据统计,2023年,中国学者在生物医药领域三家全球顶尖学术刊物《细胞》《自然》《科学》发表的文章数量,跃升至全球第二,仅次于美国。在评选出的“2024年医疗界十大临床突破”中,有四项来自中国。
2026-04-29 10:33
乘坐自动扶梯时,很多人有“左行右立”的习惯:右侧站立,左侧留给赶路行人。可如果“左行”撞到了“右立”,还造成了一定损失,要担责吗?近期,上海铁路运输法院审结了一起相关案件。
2026-04-29 10:27
4月27日,农业法修订草案提交十四届全国人大常委会第二十二次会议审议。为突出耕地等农业资源保护和农业绿色发展,草案将现行农业法第八章“农业资源与农业环境保护”分为“土地等农业资源保护”“农业绿色发展”两章。
2026-04-29 10:13
教育部今天(28日)发布《普通高等学校本科专业目录(2026年)》,共新增38种普通高校本科新专业。本次获批申办高校可纳入2026年高考招生。
2026-04-28 11:22
目前,本科专业目录共涵盖13个门类、92个专业类、883种专业。
2026-04-28 11:20
中国农业科学院作物科学研究所小麦基因资源发掘与利用创新团队近日成功克隆了调控小麦分枝与主茎之间角度的关键基因,并揭示了其平衡调控小麦“站姿”的分子机制。
2026-04-28 10:01
作为牵头用户,生态环境部已有8颗环境和大气系列卫星在轨运行,还可统筹调用140余颗民商卫星数据资源。
2026-04-28 10:00
西南大学徐洛浩、刘海平教授团队联合德国科学院院士阿克塞尔·迈尔开展攻关,成功破解相关科学难题。
2026-04-28 09:59
人工智能的崛起为人类社会开启了变革的新纪元,深刻重塑着我们生活与生产的各个方面。而作为文明传承与思维锻造的核心路径,阅读在这一浪潮中经历着前所未有的影响与重构。
2026-04-28 09:57
透视农业农村经济“开门红”,其背后是国家战略引领、政策有力支持和市场社会力量的协同发力。
2026-04-28 09:46
外商投资安全审查工作机制办公室(国家发展改革委)依法依规对外资收购Manus项目作出禁止投资决定,要求当事人撤销该收购交易。
2026-04-27 16:54
当前,具身智能产业站在商业落地的临界点,一场从“炫技”到“干活”的务实转向正在悄然发生。
2026-04-27 15:39
以往以机械素质、品牌底蕴为核心卖点的外资车企,纷纷将智能化作为参展的核心主线。
2026-04-27 14:48
这里是淳安国家储备林示范基地,587亩山林经过精心打造,早已不是传统意义上的林场。480多亩杉木林完成阔叶化改造,浙江楠、浙江樟等珍贵树种错落生长;430亩“有路、有房、有水、有轨、有网、有电、有眼”的“七有”林业标准地里,黄精、白芨、三叶青等中药材长势旺盛,菌菇悄悄破土;30多亩梅花观光园内,880株梅花迎春绽放,成为游客青睐的打卡地。
2026-04-27 13:53
近年来,科普视频越来越多地成为公众获取科技知识的重要渠道。
2026-04-27 13:35
中国科协在中国科学家博物馆举行“全民阅读活动周·科学家精神故事会”暨科学家精神主题丛书发布活动。
2026-04-27 12:53
今年4月25日是第四十个“全国儿童预防接种日”,主题是“预防接种,苗助健康,全民行动”。
2026-04-27 10:05
从古人立竿测影、夜观北斗辨识方向,到北斗卫星导航系统提供全天候、高精度的时空信息服务——科技发展沧海桑田,但人类对“我在哪里、我要去哪、如何到达”的追问从未停歇,其指向始终是更好地认识世界、利用资源、服务发展。
2026-04-27 10:03
加载更多