利用脈沖星測到引力波了？

中職學(xué)校招生網(wǎng) 2025-10-18 15:18:08

本文選自《物理》2021年第4期

通過監(jiān)測多個脈沖星的無線電脈沖，天文學(xué)家可能發(fā)現(xiàn)了背景引力波信號。

試想，引力波探測器能延伸到銀河系邊緣嗎？北美的NANOGrav天文臺就是這樣一個組織，它通過監(jiān)測河內(nèi)多個脈沖星的到達時間來測量距離的變化。2021年，NANOGrav聲稱脈沖的到達時間有波動，這可能是納赫茲引力波的證據(jù)。黑洞合并可以產(chǎn)生這種引力波，但也不排除其他波源，包括宇宙弦和宇宙早期黑洞的形成。如果NANOGrav信號真的來自引力波，那么未來五年的進一步觀測可能會區(qū)分這些模型。

脈沖星是快速旋轉(zhuǎn)的中子星，其輻射束以相等的間隔掃過地球，就像燈塔一樣。1974年，hoels和Taylor發(fā)現(xiàn)了雙中子星輻射的引力波引起軌道變化的觀測證據(jù)。2015年，LIGO成功探測到臂長的微小變化，從而直接測得引力波1)。NANOGrav監(jiān)測天空中的45顆脈沖星空，尋找由數(shù)千光年之間的扭曲引起的類似效應(yīng)空。當(dāng)引力波經(jīng)過地球和一顆毫秒脈沖星之間時，距離的變化會影響脈沖星輻射束到達地球的時間。

基于對12.5年數(shù)據(jù)的分析，NANOGrav給出了2021年年度尺度上的時間序列波動。所有的脈沖星都表現(xiàn)出這種波動，從而消除了脈沖星本身的計時噪聲。NANOGrav的約瑟夫·西蒙說:脈沖星無法通過相互通信來協(xié)調(diào)它們的行為。宇宙隨機背景中的引力波可能會引起這樣的波動。測量背景引力波將是引力波天文學(xué)的一個重要里程碑。歐洲核子研究中心的凱·施密茨說。

NANOGrav的結(jié)果仍然存疑。西蒙說:“我相信這個信號是真的。但承認(rèn)引力波的解釋還需要進一步研究。只有引力波才能導(dǎo)致脈沖到達時間殘差的四極相關(guān)。

如果信號真的來自引力波，自然的解釋就是黑洞合并了。合并黑洞的質(zhì)量比處女座測得的質(zhì)量重數(shù)百萬倍，從而產(chǎn)生納赫茲引力波。天文學(xué)家知道大多數(shù)星系的中心都有超大質(zhì)量黑洞。因為星系合并，超大質(zhì)量黑洞也合并。施密茨認(rèn)為這里存在不確定性，比如黑洞能否形成封閉的軌道并產(chǎn)生引力波。

其他引力波源也是可能的。Schmitz和他的同事認(rèn)為NANOGrav數(shù)據(jù)可以用宇宙弦來解釋。宇宙弦是一維致密天體，預(yù)計在宇宙早期相變過程中產(chǎn)生，交錯在空之間。隨著時間的演化，宇宙弦相互碰撞或相交，形成閉環(huán)，振蕩產(chǎn)生引力波。根據(jù)這個模型，宇宙的歷史會形成一個閉環(huán)，延伸到幾光年，產(chǎn)生低頻引力波。華沙大學(xué)的馬雷克·勒維基(Marek Lewicki)說:如果你看到的是納赫茲信號，那它可能是一根宇宙弦。；他與倫敦大學(xué)國王學(xué)院的約翰·埃利斯合作，對宇宙弦的引力波背景進行建模，與施密茨等人的結(jié)果一致。

第三種解釋與原始黑洞有關(guān)。據(jù)推測，它可能形成于早期宇宙，輻射引力波。日內(nèi)瓦大學(xué)的Gabriel Franceslini解釋說，引力波的頻率與黑洞的質(zhì)量有關(guān)。NANOGrav的納米赫茲信號對應(yīng)一個黑洞，其質(zhì)量在太陽的0.1到0.01倍之間。Franciolini等人建立了一個模型，認(rèn)為原始黑洞的質(zhì)量可以從太陽分布到小行星上，其總質(zhì)量相當(dāng)于暗物質(zhì)的組成。這個提議的吸引力在于，它不僅可以解釋NANOGrav觀測，還可以解釋暗物質(zhì)。有些模型還認(rèn)為，原始黑洞的質(zhì)量分布在太陽質(zhì)量的幾千到幾百萬倍之間；它們不太可能是暗物質(zhì)，但它們有助于解開超大質(zhì)量黑洞的謎團。

NANOGrav團隊還將確認(rèn)信號的真實性。2021年12月，合作因阿雷西博望遠鏡倒塌而中斷。該團隊正在將數(shù)據(jù)與歐洲和澳大利亞的脈沖星計時陣列成員進行比較。利用500米望遠鏡FAST，中國脈沖星計時陣列(CPTA)于2021年開始積累數(shù)據(jù)。西蒙認(rèn)為，如果信號是真的，在未來五年內(nèi)積累更多的數(shù)據(jù)將區(qū)分不同的模型。施密茨說:“脈沖星計時天文學(xué)的未來是光明的。；如果年輕學(xué)生規(guī)劃職業(yè)生涯，他會建議做這個研究。