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重力

重力

脉冲星是否提供了合并超大质量黑洞的引力波的一瞥?

纳米重力
脉冲星阵列:艺术家对NANOGrav如何观察脉冲星的印象,以努力检测引力波。 (礼貌:NANOGrav / T Klein)

天文学家致力于研究中子星发出的无线电脉冲到达时间的微小偏差,这可能是我们对融合超大质量黑洞的引力波的第一印象。 纳米重力 脉冲星定时阵列。该团队从两台射电望远镜中搜寻了12.5年的数据,以寻找整个宇宙历史上大量对超大质量黑洞的合并所产生的引力波证据。尽管这个初步的观察结果还没有定论,但天文学家对这一结果感到鼓舞,他们相信,通过在更长的时间内观察更多的脉冲星,可以很快确认宇宙引力波背景的存在。

在包括银河系在内的大多数星系的中心都发现了超大质量的黑洞,其质量是太阳的数百万甚至数十亿倍。随着星系的演化和融合,超大质量黑洞可以相互绕行并最终融合,从而传播引力波。这些合并形成了宇宙引力波背景,据信这是渗透到宇宙中的类似噪音的海浪杂音。

测量这一背景将为天文学家提供有关星系如何形成和演化的大量信息。但是,利用现有的LIGO-处女座引力波观测站无法检测到超大规模合并产生的极低频引力波。

天体钟

幸运的是,毫秒脉冲星提供了探测这些引力波的方法。脉冲星正在迅速旋转中子星,这些中子星向地球发射辐射脉冲。它们的脉冲频率非常稳定-实际上,它们充当“天体时钟”,其稳定性可与原子钟媲美。

纳米重力脉冲星定时阵列监视来自天空中不同位置的45个不同脉冲星的信号。如果引力波在地球和脉冲星之间传播(或 反之亦然),我们与脉冲星之间的距离会略微扩大和缩小。脉冲以光速传播,因此在收缩期间脉冲将比预期的更快到达地球,而在膨胀期间脉冲将更晚到达。

该到达时间偏差取决于至脉冲星的方向与重力波的传播方向之间的角度。因此,比较来自一系列不同脉冲星的到达时间应揭示出引力波的影响。但是,测量这种效果非常困难,因为偏差约为数百纳秒,并且会在数年的时间范围内发生。

在曲线上

寻找这种效应的一种有效方法是测量来自脉冲星对的脉冲到达时间之间的相关性。当绘制为脉冲星之间的角度的函数时,结果为“ Hellings–Downs曲线”。该曲线与重力波的方向无关,因此可以用来寻找宇宙重力波背景的证据,该背景应包括在各个方向传播的波。

使用波多黎各的阿雷西博天文台(此后已关闭)和西维吉尼亚的格林银行望远镜观测了45个脉冲星的无线电信号长达12.5年。在对数据进行了广泛的统计分析之后,NANOGrav团队发现了诱人的初步证据,某些因素正在影响来自不同脉冲星的到达时间。

纳米重力成员说:“引力波背景的这些诱人的最初暗示表明,超大质量黑洞可能确实会合并,并且我们正陷入万有引力波的海洋中,这些引力波是由星系中超大质量黑洞合并引起的。” 朱莉·科默福德(Julie Comerford) 在科罗拉多大学博尔德分校。

但是,研究小组尚不能得出结论,即观察到的效果是宇宙引力波背景的结果。特别是,该团队无法建立脉冲星对之间的相关性。

纳米重力说: 约瑟夫·西蒙,他也在Boulder。

斯科特·兰森(Scott Ransom) 在美国国家射电天文台上,“尝试使用脉冲星定时阵列检测引力波需要耐心。我们’目前正在分析十几年的数据,但确定的检测可能还需要花费更多时间。它’令人高兴的是,这些新结果正是我们逐渐接近检测结果时所期望看到的结果。”

该研究描述于 天体物理学杂志信.

版权©IOP 出版 Ltd和个人贡献者的2021年