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:十年寻一箭|来自茫茫宇宙的疑似低频引力波信号
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

十年寻一箭|来自茫茫宇宙的疑似低频引力波信号

来源:光明网2021-01-14 10:59

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  近日,一个国际研究团队在《天体物理学快报》上发表论文,宣布找到一个疑似低频引力波的信号。如果被证实,这将是引力波天文学的又一大里程碑:一扇观测宇宙的低频引力波窗口将向人类开放。

  引力波,和电磁波一样,也分不同的波段。此前,近年来频繁登上科学新闻头条的“激光干涉仪引力波天文台(LIGO)”发现的是高频引力波,频率大约在几十至上千赫兹。此次,北美纳赫兹引力波天文台(NANOGrav)在分析了45颗脉冲星的观测数据后,发现一个有趣的低频信号。这个信号可能就是天文学家过去十年一直苦苦追寻的纳赫兹引力波,其频率比LIGO发现的引力波相差了11个数量级!

  根据爱因斯坦的广义相对论,大质量的天体加速运动将产生引力波,这是一种以光速传播的时空“涟漪”。最典型的引力波源是两个天体相互绕转,因辐射引力波带走了轨道能量,逐渐靠近而最终并合。LIGO和欧洲的Virgo干涉仪探测到的引力波就是来自致密双星并合,双星系统可以包括两个中子星、两个恒星级黑洞或一个中子星和一个恒星级黑洞。

  NANOGrav看到的信号,假如是引力波的话,有可能是超大质量黑洞并合产生的引力波。这种超大质量的黑洞,质量比太阳大百万至十亿倍,被认为大量存在于星系(包括我们的银河系)中心。当两个星系并合时,位于星系中心的超大质量黑洞有机会成对,形成双体系统绕转,并最终并合。由于体量巨大,这样的两个黑洞互相绕转一圈通常要花费数年甚至更长时间,其辐射的引力波频率在纳赫兹(10-9Hz)波段。

十年寻一箭|来自茫茫宇宙的疑似低频引力波信号

图1. 引力波谱:四个主要的引力波观测窗口、引力波源和引力波探测器(图源:改编自朱兴江,“脉冲星计时阵探测引力波”,《现代物理知识》, 2016, 28, 10-14)

  脉冲星是快速旋转的中子星。它的两极发出的光束犹如宇宙中的灯塔一般掠过地球。自1967年首次发现以来,天文学家利用地球上最灵敏的射电望远镜已经发现了近三千颗脉冲星。其中有一类脉冲星尤其特别,它们的自转很快,每秒可达几百圈,而且自转周期特别稳定。这种毫秒脉冲星又被戏称为“宇宙计时员”,因为它们的脉冲总是非常准时地到达地球。

假如遥远的星系中心有一对超大质量黑洞并合,它们发出的引力波经过银河系,穿过地球,本该守时的脉冲星信号可能会比预料中更早或者更晚到达。这是因为引力波扰动了脉冲星和地球之间的时空,脉冲星发出的射电波所经历的路程更长或者更短了。

如果只看一颗脉冲星,可能有各种其它因素无法跟引力波区分开来。例如,脉冲星的自转意外地发生变化,或者脉冲星发出的电磁波遇上了星际电子而放慢了传播速度。因此,“脉冲星计时阵”的概念应运而生:通过长时间监测多颗脉冲星的脉冲到达时间,搜寻引力波引起的不同脉冲星之间的关联信号。

十年寻一箭|来自茫茫宇宙的疑似低频引力波信号

图2. 脉冲星计时阵的艺术想象图(图源:改编自Taylor et al., arXiv:1903.08183)

  目前国际上有三大脉冲星计时阵项目:澳大利亚的帕克斯脉冲星计时阵(PPTA)、欧洲脉冲星计时阵(EPTA)和北美洲的NANOGrav。这些探测项目于2005年左右陆续开始运行,至今已经积累了对数十颗脉冲星长达15年的观测数据。

  NANOGrav脉冲星阵包含47颗脉冲星,其中45颗有至少3年的观测数据,14颗有12.5年的数据。对这45颗脉冲星的数据进行细致分析后,NANOGrav研究人员发现多颗脉冲星的数据中都出现了一个低频的特征。该团队排除了某些引力波之外的因素,比如数据采集过程中的纰漏和太阳系内某些天体对脉冲星信号传播的干扰。

  为了证实该信号就是引力波,研究人员必须在不同脉冲星数据之间找到一种独一无二的相关性——两颗脉冲星数据的关联程度和它们相对地球的天空方位有关。但是,目前的NANOGrav数据中没有发现这种相关性的显著证据。尽管如此,这一结果还是引起了中外同行的极大兴趣。自2020年9月份公布于预印本网站arXiv以来,研究论文已经被引用了85次。对这一疑似引力波信号的猜测性解读,除了超大质量黑洞并合起源外,还包括宇宙早期相变过程和宇宙弦等。

  虽然短期内无法证实NANOGrav看到的信号就是引力波,但这个疑似信号的发现可以说给脉冲星计时阵领域注入了新的能量。接下来的几年,该领域的进展尤其值得关注。

  首先,澳大利亚的帕克斯脉冲星计时阵和欧洲脉冲星计时阵,两个团队正在分析他们的独立数据,检验信号的真实性,并希望进一步排除引力波以外的噪声因素的影响。

  其次,脉冲星计时阵是一项持续的长周期实验,更长的数据和更多的脉冲星对提升引力波探测灵敏度至关重要。因此,“国际脉冲星计时阵”(IPTA)合作计划可以发挥重大作用。IPTA是一个基于PPTA, EPTA和NANOGrav三个计时阵于2010年达成的数据共享的协议基础上发展起来的国际合作组织,目前也包括来自中国、印度和南非的脉冲星研究小组。

  在这个国际合作组织中,我国的500米FAST射电望远镜和南非的平方公里阵(SKA)先导天线阵MeerKAT是脉冲星观测的利器。几年内,FAST和MeerKAT将对足够多的脉冲星完成高精度的长期计时观测,有望对纳赫兹引力波探测做出决定性的贡献。

  不幸的是,NANOGrav团队所使用的两个望远镜之一,位于波多黎各的305米阿雷西博(Arecibo)望远镜于2020年12月损毁并终止运行。这不仅将影响NANOGrav未来探测引力波的能力,更是国际脉冲星研究领域(包括引力波探测)的巨大损失。因此,我国的FAST作为世界最大口径的单天线射电望远镜在纳赫兹引力波探测的作用显得弥足珍贵。

十年寻一箭|来自茫茫宇宙的疑似低频引力波信号

十年寻一箭|来自茫茫宇宙的疑似低频引力波信号

图3. 上:中国天眼(FAST)500米射电望远镜(图源:国家天文台);下:位于南非的MeerKAT射电望远镜阵列,包含64面13.5米直径的天线(图源:Reddit)

  未来十至二十年,建于南非和澳大利亚的SKA和美国主导的下一代甚大天线阵(ngVLA)将引领开创一个全新的纳赫兹引力波天文学领域。通过对几百颗毫秒脉冲星进行超高精度的计时观测,天文学家将不仅探测到超大质量双黑洞并合形成的引力波背景,发现近邻的单个超大质量双黑洞系统,还有望测量到宇宙早期形成的引力波。这些新的发现将彻底革新我们对黑洞形成和宇宙演化的认识。

  作者简介:朱兴江,现为澳大利亚莫纳什大学Research Fellow, 2015年博士毕业于西澳大学物理系,从事引力波天体物理相关研究。2013年成为帕克斯脉冲星计时阵(PPTA)成员,2019至2020年间曾担任国际脉冲星计时阵(IPTA)指导委员会委员。2012年起为LIGO科学合作组织成员。

[ 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

  • 习近平主持上合组织成员国元首理事会第二十五次会议

  • 上合组织天津峰会丨非遗迎贵宾 文明共璀璨

独家策划

推荐阅读
记者近日从国家发展改革委获悉,围绕《关于深入实施“人工智能+”行动的意见》(以下简称《意见》),相关部门将制定出台一系列配套文件。具体来看,一方面将围绕《意见》提出的6大行动若干重点行业领域,分别制定“人工智能+”具体实施方案,进一步细化各行业目标任务、重点方向和工作举措。
2025-09-01 09:56
8月26日,国务院印发《关于深入实施“人工智能+”行动的意见》。大力发展智能农机、农业无人机、农业机器人等智能装备,提高农业生产和加工工具的智能感知、决策、控制、作业等能力,强化农机农具平台化、智能化管理。
2025-09-01 09:55
生产车间里,抽气泵凹槽上蒸汽弥漫,极细的金属导体经过氯化液处理,三次涂漆后,再附上绝缘漆膜,最终制成直径仅0.012毫米的成品电磁线。 银西产业园甘肃康视达隐形眼镜有限公司的厂房内,智能化生产线高效运转,无人搬运车有序穿梭,整个流程高度自动化。
2025-09-01 09:53
江南大学是一所以轻工特色见长的“双一流”建设高校,发酵工程学科凭借深厚的学科积淀和前瞻性布局,成功跻身国家“A+”学科行列。学校与发酵行业龙头企业共建16个联合研究中心,聘请16名教授级高工和国家级科创人才担任工程技术导师,推动研究生深入产业一线。
2025-09-01 09:52
在山东省大学生创新大赛(2025)暨中国国际大学生创新大赛(2025)山东赛区比赛中,哈尔滨工业大学(威海)材料科学与工程学院参赛队共荣获10项金奖、1项银奖。 山东省特种焊接技术重点实验室是山东省焊接领域唯一的重点实验室,突出在特种环境、特种材料以及特种结构方面的焊接技术及装备制造研究。
2025-09-01 09:51
当前,全球科技革命与产业变革加速演进,人工智能(AI)正从“辅助工具”跃升为驱动社会变革的核心引擎。
2025-08-29 09:40
中国科幻完成了从文学、影视到互动娱乐的全产业链突破,步入业态融合与创新驱动的关键阶段。科幻阅读作为科幻产业链上游的基础产业,需率先探索高质量发展路径。
2025-08-29 09:38
作为太阳系中目前已知唯一拥有生命的天体,地球宜居性的形成与演化是地球系统科学研究的核心议题。
2025-08-29 09:35
国家气候中心统计数据显示,截至8月28日,华北雨季已持续55天,较常年雨季长度(30天)明显偏长。截至8月25日,华北雨季监测区累计雨量较雨季常年值偏多131%。
2025-08-29 09:18
8月29日是七夕节,在古代神话中,牛郎和织女因为被天上的银河隔开,只有在每年农历的七月初七才能通过鹊桥相会。那么,银河到底有多宽?
2025-08-29 09:17
浙江大学物理学院王浩华团队、杭州国际科创中心郭秋江超导量子计算团队联合清华大学邓东灵团队,在百比特超导量子芯片上观测到,“预热化”机制能有效抵御热激发扰动,使有限温度下的拓扑边缘态展现出了足够的稳定性,为保护脆弱的量子信息提供了新可能。
2025-08-28 09:47
6G时代,无论在城市楼群还是偏远山区,都需要数据的高速传输和快速接入,但基于纯电子技术的传统无线设备带宽受限、频段单一,难以动态调度频谱资源。
2025-08-28 09:47
8月26日,《关于深入实施“人工智能+”行动的意见》发布。为何要出台这份文件?这份文件重点说了些什么?记者采访了国家发展改革委参与文件起草的专家。
2025-08-28 09:45
从“人工智能+”发展进展来看,朱克力认为,在政策层面,形成了举国体制,算力基础设施、数据供给、人才体系等基础支撑全面强化。
2025-08-28 09:37
工业和信息化部近日印发《关于优化业务准入促进卫星通信产业发展的指导意见》。意见明确,鼓励卫星通信在工业、农业、交通、能源、城市治理等各行业各领域创新应用。
2025-08-28 09:35
8月26日,国新办举行“高质量完成‘十四五’规划”系列主题新闻发布会,介绍“十四五”时期能源高质量发展成就。
2025-08-27 09:36
王蜜所在团队养蜗牛的装置和她用指甲油给蜗牛壳做的标记(首次发表,非授权禁止转载)。在中科院地球环境所,针对蜗牛壳体季节尺度研究,副所长晏宏提出的理念是,用空间换时间。
2025-08-27 09:47
8月8日至12日,第十届世界机器人大会在北京举行。”  近年来,更多养老机器人在家中、社区及养老机构落地应用,从桌面式机器人、轮式底盘型机器人到人形机器人,“人机共栖”的智慧养老图景正加速照进现实。
2025-08-27 09:45
作为海洋生物医药研发的特色方向,海洋中药尚不能满足中医药产业发展需求,其开发和利用还处于起步阶段。在产业转化环节,郑明月指出,应借鉴“算法开发—标靶确证—临床转化”范式,构建海洋天然产物专属数据库和AI工具。
2025-08-27 09:45
一项近日发表于《应用生理学、营养学与代谢》的研究发现,摄入动物蛋白质食物与更高的死亡风险无关,甚至可能降低与癌症相关的死亡率。论文第一兼通讯作者、加拿大营养策略公司负责人Yanni Papanikolaou表示,“综合这类观察数据与临床研究,很明显,动物蛋白和植物蛋白均有益于健康长寿。
2025-08-27 09:43
加载更多