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

  • 习近平会见蒙古国总统呼日勒苏赫

  • 习近平会见乌兹别克斯坦总统米尔济约耶夫

独家策划

推荐阅读
中共中央、国务院日前转发了《中央宣传部、司法部关于开展法治宣传教育的第九个五年规划(2026—2030年)》,标志着全民普法正式开启“九五”的新周期。
2026-09-01 09:42
开学季来临,从近红外光醒脑仪、α脑波音频智慧仪,到加入红光模块的哺光台灯、模拟户外远眺的雾视屏……各类宣称能“醒脑”“护眼”的产品在电商平台热卖。他进一步指出,儿童颅骨厚度、密度与成人差异显著,目前尚无任何一项权威神经科学研究支持健康儿童使用此类设备。
2026-09-01 09:36
2026中国国际大数据产业博览会上,观众围观机器人表演。文生图、文生视频、音乐生成等一系列智能服务背后,核心驱动便是词元。用国家数据发展研究院院长胡坚波的话说,词元的生产就是以算力作为底座、以数据作为语料、以模型作为中枢来开展智能的工作。
2026-09-01 09:31
长期以来,美国亚利桑那州布莱克河西支流的本土阿帕奇鳟和圆尾鳅,一直难以与入侵的溪红点鲑竞争。研究超级雄鱼的科学家已经锁定了另外10个目标,包括白斑狗鱼、玻璃梭鲈、斑点叉尾鮰,甚至牛蛙。
2026-09-01 09:29
UDP-葡萄糖从细胞质一侧进入亲水口袋,神经酰胺则从膜内侧“横向”滑入疏水通道,两条通道最终在催化中心汇合。在此基础上,他们进一步解析了UGCG与多种代表性抑制剂结合的结构,试图看清药物究竟如何把这道“总闸门”关小。
2026-09-01 09:26
冰川持续消融直接推动高原冰湖数量、面积大幅增长,极大加剧了冰湖溃决洪水、泥石流等灾害风险。
2026-08-31 10:00
“咩——”眼下,新疆籽用西葫芦陆续成熟,双河市石峪镇的千亩籽用西葫芦地里,来了群特殊的“帮手”。每年8月,山区牧场的牧草逐渐进入枯萎期,牧民便会和籽用西葫芦种植户们提前联系,协商把羊群转场到这里。
2026-08-31 09:59
真正把“技术可行”与“应用可行”“商业可行”结合起来,做到在场景中磨技术、在市场中促转化,产业创新的种子和幼苗才能更好成长为参天大树  当下,具身智能产业正发生一场耐人寻味的双向奔赴。
2026-08-31 09:58
元英进解释道,生物制造过程中,生物反应通常条件温和,原料来自可再生资源或废弃物,生产流程能减少有毒试剂和资源消耗。
2026-08-31 09:55
作为本届运动会全新增设的青少年赛项,足球3V3 U19组别允许中小学生同场竞技。
2026-08-31 09:54
围绕海洋、低空、低碳、新能源、智驾等领域发布两批共60个场景,今年场景清单预计将扩容至100个以上。
2026-08-31 09:54
在机器人足球互动区,身高不足1米的小型人形机器人成为射门球员,现场的小观众担任守门员,开启点球大战,战况激烈。
2026-08-28 09:29
由此而言,坚持让人工智能服务立德树人这一根本任务,助力“五育”并举、促进学生全面发展,才能让人工智能成为赋能教育和学生的有力臂膀。
2026-08-28 09:23
“十五五”期间国家电网将加快特高压通道建设
2026-08-28 04:55
“叮——”一声清脆的钟鸣划开展厅的喧嚣,天工3.0机器人的银白机械臂轻叩青铜编钟,《小星星》的旋律徐徐流淌。
2026-08-28 03:55
为推动人工智能医学影像研究的负责任创新和健康发展,国家科技伦理委员会医学伦理分委员会27日发布《人工智能医学影像研究伦理指引》。
2026-08-28 03:55
8月26日,第二届世界人形机器人运动会在国家速滑馆“冰丝带”闭幕。小型组400米比赛中,北京人形机器人创新中心研发的天工Omni一骑绝尘,以45.66秒的绝对速度率先撞线,其掩面狂奔的“娇羞”姿势更是火遍全网。
2026-08-27 09:55
作为地球上物种多样性最高的动物类群,昆虫的早期起源与登陆演化历史长期存在研究空白。系统研究表明,先驱乔昔虫这一早期干群昆虫具备半水生两栖生活习性,栖息于水陆交界的湿润微环境。
2026-08-27 09:53
中共中央政治局常委、国务院总理李强8月24日至26日在黑龙江、吉林调研。
2026-08-27 09:51
重庆依山而建、傍水而兴,多山多水的复杂地貌,给城市交通建设带来天然挑战,也造就了独一无二的立体交通图景。“悟空立交”的出圈,也是中国超级基建版图的微小切片。广袤中华大地,山河辽阔、地貌多元,从峡谷江河到高原山川,中国基建逢山开路、遇水架桥,在复杂地形上书写了无数建设传奇。
2026-08-27 09:50
加载更多