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

  • 习近平春节前夕慰问部队

独家策划

推荐阅读
工业和信息化部等五部门近日印发《关于加强信息通信业能力建设支撑低空基础设施发展的实施意见》。加强监管能力体系建设,规划无人机专用号段,推动“一机一码一号”能力建设,探索标识解析在无人机领域的应用,形成无人机通信资源精细化管理。
2026-02-11 09:25
全球森林逐渐被快生树木主导,而稳定生态系统的慢生树种正在消失。“我们关注的是极为独特的物种,它们主要集中在生物多样性丰富、生态系统联系紧密的热带和亚热带地区。“此外,在现在和未来受到干扰的地区,非本地物种可能会加剧对光、水和养分的竞争,从而使本地树木更难生存。
2026-02-11 09:32
中国科学院动物研究所研究员王红梅带领的“灵长类胚胎发育的规律解析与体外模拟团队”,用27年的接力攻坚,把灵长类早期胚胎发育这个看不见、摸不着的“黑匣子”,变成了清晰可见的“生命剧本”。
2026-02-11 09:32
截至1月28日,“横竖都是世界第一”的贵州花江峡谷大桥累计接待游客突破130万人次,通行车辆超20万辆次,持续为区域发展注入新动能。大桥带来的发展溢出效应令人瞩目,而深入大桥肌理探查,你会发现,支撑起这座庞然大物的每根细钢丝,全部都是“中国造”。
2026-02-11 09:31
针对常见的饮食误区,杨爱明特别提醒,不建议采用“不吃主食”或“用水果代替主食”的方法来控制体重。对于肠胃功能较弱的人群,应避免过冷、过烫、过辣、过咸食物的刺激,切忌暴饮暴食,并尽量保持规律的进餐时间,以防加重原有胃肠问题。
2026-02-11 09:24
近日,市场监管总局(国家标准委)批准发布《中医体质分类与判定》推荐性国家标准。
2026-02-10 09:44
聚集相关企业300余家,机器人产业链规模超百亿元……北京亦庄,为何扎堆这么多机器人企业?
2026-02-10 09:42
“十四五”时期,我国全社会研发经费投入年均增长10%,研发经费投入强度提高0.44个百分点。
2026-02-10 09:41
日前,我科研团队在国际学术期刊《科学》发表论文《多尺度泛基因组图谱赋能混合倍性甘蔗的基因组解析》,为甘蔗高产优质育种提供了全新“基因资源地图”与核心分析工具。
2026-02-10 09:34
日前,南海区域海-气双向耦合智能大模型“飞鱼-1.0”在广东广州正式发布。“
2026-02-10 09:33
蓝天、绿林、碧水、清波……冬日的广东东莞松山湖科学城,温暖、惬意。
2026-02-09 10:00
这声呼唤,穿越漫长岁月,凝结着人类对这位地球近邻永恒的好奇与梦想。而今,随着新一轮探月热潮在全球兴起,这句“去月球”已不再仅仅是浪漫的诗意表达,更成为科技前沿竞相追逐、国家实力与创新精神交汇的生动实践。
2026-02-09 09:57
特种机器人技术与数智系统创新团队成员张平点击一键启动指令后,雷达驱动、定位算法、规划与控制算法等模块被加载。在系统支持下,无人机能够精准定位、自主导航与实时避障,像一位不知疲倦的巡检员。
2026-02-09 09:53
深耕西南高原山区二十余载,于富强与真菌为伴,在种质资源保护与产业富民之间架起桥梁,把论文写进泥土中,把科研做进农户的大棚里。3年间,于富强往返昆明与水城数十趟,硬是帮着水城从零起步,建成了食用菌研究所、日产50万袋的菌种厂和鲜菇冷链物流集散中心。
2026-02-09 09:53
研究团队将这一环境效应与黑洞双星轨道偏心率的演化同时纳入统一模型,并将理论预测与北美纳赫兹引力波天文台合作组15年的观测数据进行对比分析。陈一帆表示,尽管当前的不确定性仍然较大,但该研究已经表明,引力波观测开始携带关于星系中心环境的可测信息。
2026-02-09 09:53
近日,国家管网集团西部管道公司成功完成所辖新疆段天然气、原油、成品油管道输送全生命周期碳足迹核算,获得中国质量认证中心颁发的“产品碳足迹证书”。
2026-02-06 09:18
近日,中国农业科学院蔬菜花卉研究所蔬菜分子设计育种创新团队研发出新型植物基因研究工具——对目标DNA序列的邻近空间蛋白标记系统。
2026-02-06 09:38
因为像了解自己的孩子一样了解黑土地,韩晓增有个外号——“黑土地的营养搭配师”。他带领团队精心配制出一套营养搭配的“秘方”。
2026-02-06 09:33
蚊种与病毒之间存在高度匹配关系。1901年,公共卫生与热带医学领域先驱沃尔特·里德证明,蚊子是传播黄热病的元凶。科学界传统观点认为,病毒以颗粒形式在蚊子体内传播,却始终不知道真正的“病毒受体”是什么。
2026-02-06 09:31
科技创新和产业创新的深度融合,不仅是构建现代化产业体系的战略举措,更是贯彻新发展理念、推动高质量发展、加快构建新发展格局的重要抓手。
2026-02-06 09:13
加载更多