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重力

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射电望远镜可以为我们提供引力波的新视野

05 Jan 2021
优势望远镜
宇宙时间机器:EDGES射电望远镜在原始引力波上发光。 (由Suzyj / CC BY-SA 4.0提供)

宇宙微波背景(CMB)是有关早期宇宙的丰富信息来源,现在瑞士和德国的物理学家认为它也可以用作高频引力波的探测器,而引力波是太空中的涟漪–时间。实际上,研究人员已经使用CMB的先前无线电观测来计算高频原始重力波大小的新上限。

探测重力波的最先进技术是干涉测量技术,该技术于2015年被发现。在LIGO和其他天文台中,激光束在长(数公里)真空管道的末端的反射镜之间偏转,然后彼此干扰。当引力波穿过地球时,它会引起反射镜之间的距离发生微小变化,这种变化可以看作是光的干涉方式的变化。

像LIGO这样的干涉仪的大小使它们对某个频段-大约10 Hz至10 kHz内的重力波最敏感-这意味着许多重力波频谱仍未开发。虽然计划中的基于太空的LISA天文台将以兆赫兹范围内的较低频率为目标,以检测来自超大质量黑洞的波,但以兆赫兹,千兆赫甚至更高的频率进行的观测可能会为非常年轻的炽热宇宙中的外来现象提供一个窗口。通过允许在最强大的粒子对撞机以外的能量下测试粒子物理学的标准模型,检测这些高频还可以提供对自然基本成分的新见解。

Gertsenshtein效应

为了观察这些更高的频率,物理学家研究了一系列替代方法。这项最新的工作依赖于Gertsenshtein效应,该效应涉及重力波转换为电磁波(或 反之亦然)在有磁场的情况下。

虽然其他研究人员已经在预先存在的地面实验中寻找这种效果, 瓦莱丽·多姆克 在日内瓦CERN实验室 卡米洛·加西亚·塞利(Camilo Garcia Cely) 汉堡DESY的研究人员提出了一种检测宇宙尺度效应的方法。这个想法是要仔细研究全能扩散的CMB的光谱,该光谱是在大爆炸发生约40万年后产生的,当时电子与质子结合形成中性氢。而今天’领先的宇宙学模型告诉我们,该光谱应该是黑体的光谱,万有引力到电磁辐射的巨大宇宙转换,兆赫兹到千兆赫兹的频率反而会提高CMB低频的强度“tail”.

研究人员专门研究了宇宙形成后约1.5亿年左右,在第一批恒星形成和氢开始电离之前所产生的CMB光谱畸变。在这些期间“dark ages”几乎没有自由电子来散射光子,因此重力波和电磁波之间发生振荡的可能性比原本要高。

优势和ARCADE2

为了对高频引力波的大小设置新的限制,Domcke和Garcia Cely分析了两个射电望远镜的数据,这些射电望远镜设计得可以追溯到很久以前。一, 优势,由两个偶极天线和一个位于西澳大利亚沙漠中的天线组成。另一个是ARCADE2,是在德克萨斯州上空进行的气球实验。

研究人员发现,尽管他们确实必须对宇宙磁场的强度做出假设,但他们确实可以使用这些数据来设置新的限制。将场设置为低时,其结果不如假定的地面振荡那么严格-在78 MHz(EDGES)和3-30 GHz(ARCADE2)处的最大幅度为十分之一 12 and 1014 分别。但是随着字段设置得很高,这些限制下降到十分之一21 and 1024 后者比最敏感的实验室实验所施加的限值低七个数量级。

Domcke和Garcia Cely认为,随着射电望远镜变得越来越灵敏,他们对重力波探测的新方法可能会大大改善,尤其是随着科学家开发出测量中性氢21厘米谱线的新设施,这对于电离研究至关重要。灵敏度更高的望远镜将对原始引力波设置更严格的限制,甚至可能揭示它们的存在。他们说,这种辐射原则上可以由合并浅黑洞的来源或旋转的黑洞周围的暗物质云产生。

他们补充说,EDGES和ARCADE2都观察到了频率低于10 GHz的多余光子。但是,他们指出,这种过量将意味着引力波的能量远大于从其他宇宙学观测结果推断出的能量。结果,他们说天文学的来源,“是观察到的过量辐射的更可能的解释”.

描述该作品的论文已被接受发表在 体检信.

版权©IOP 出版 Ltd和个人贡献者的2021年