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翻譯： 華子乾
校譯：陳艷玲 田程偲 汪榮鑫 陸寅楓
編排：陶邦惠
原文鏈接：
https://astrobites.org/2019/02/21/searching-for-gravitational-waves-from-binary-supermassive-black-holes-with-cosmic-lighthouses/
當(dāng)人們提到引力波探測時，他們通常會想到LIGO，一個巨大的干涉儀，成功地探測到了多次來源于雙黑洞和雙中子星合并的引力波。但是，還有另外一個全球性組織也致力于通過別的途徑探測引力波。
NANOGrav，也就是北美納赫茲引力波天文臺，是使用世界上對使用大質(zhì)量中子星（就像宇宙中的燈塔）輻射到達(dá)時間來探測引力波的全球范圍嘗試的一部分。
什么是脈沖星？
人們怎么通過脈沖星探測引力波？
脈沖星是大質(zhì)量的、旋轉(zhuǎn)的中子星，它們發(fā)出的輻射像燈塔一樣掃過我們的視線方向。脈沖星的自轉(zhuǎn)十分的穩(wěn)定，周期從幾毫秒到十幾秒不等。毫秒脈沖星，也就是自轉(zhuǎn)周期在幾毫秒左右的脈沖星，自轉(zhuǎn)周期尤為穩(wěn)定，準(zhǔn)確度甚至可以與原子鐘相媲美。因此，NANOGrav對這些自轉(zhuǎn)極快的脈沖星十分感興趣。他們對脈沖星“計時”，通過多次觀測來確定脈沖星脈沖具體的頻率。
單個脈沖星的脈沖到達(dá)時間（TOA）被定期記錄并整合為一個大的數(shù)據(jù)集。如果引力波恰好從我們與某一顆脈沖星之間經(jīng)過，脈沖到達(dá)的時間就會輕微的變化。比如恰好有一束引力波向我們傳來，這會讓我們更早一些看到脈沖星的脈沖。
天文學(xué)家們建立了復(fù)雜的時間模型來預(yù)測/描述脈沖到達(dá)的時間。同時這些模型也考慮了其他因素，例如天體的自行，星際介質(zhì)導(dǎo)致的延遲，脈沖星本身的公轉(zhuǎn)周期等等。在收集了全天脈沖星年復(fù)一年的數(shù)據(jù)后，NANOGrav可以通過研究脈沖到達(dá)時間來尋找引力波。
這樣探測引力波與LIGO使用的方法有何不同？
LIGO和脈沖星時間陣列（PTA）的主要區(qū)別在于它們探測的是不同的引力波源。如圖1所示，LIGO主要探測來自中子星、黑洞合并產(chǎn)生的引力波，頻率在幾百赫茲左右。脈沖星時間陣列主要探測的則是完全不同頻率的引力波（納赫茲量級，也就是10^-8Hz）。這一頻率的引力波主要來自于雙超大質(zhì)量黑洞及其合并，以及原初引力波（產(chǎn)生于宇宙早期的引力波，可能來自暴脹）。
圖1:不同儀器可以觀測的不同頻率范圍。
NANOGrav使用了西弗吉尼亞州的綠岸望遠(yuǎn)鏡（Green Bank Telescope）和波多黎各島的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡（Arecibo Telescope）來觀測毫秒脈沖星（有時也使用了新墨西哥州的甚大天線陣列（Very Large Array）來進(jìn)行觀測）。
在此期間，有新的脈沖星被發(fā)現(xiàn)并被添加入數(shù)據(jù)集，也有周期并不準(zhǔn)確的脈沖星被去除。NANOGrav這一次使用的數(shù)據(jù)集包含了2004年到2015年之間用綠岸望遠(yuǎn)鏡和阿雷西博望遠(yuǎn)鏡對45顆脈沖星的觀測。
阿雷西博望遠(yuǎn)鏡：阿雷西博望遠(yuǎn)鏡建設(shè)于20世紀(jì)60年代，曾經(jīng)是全世界最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡（最近被我國的FAST超過，兩者相同的是反射面均不可轉(zhuǎn)動），口徑305米，后來被拓展為350米。阿雷西博作為一臺巨大的射電望遠(yuǎn)鏡，特點是其巨大的饋源倉，重達(dá)約500噸。在阿雷西博工作的幾十年中，其為天文學(xué)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。包括了發(fā)現(xiàn)首顆系外行星，認(rèn)證大量脈沖星系統(tǒng)，以及對雙中子星系統(tǒng)PSR191316的觀測（Hulse和Taylor研究了這個十分密近的雙星系統(tǒng)，再一次佐證了廣義相對論，也被授予1993年諾貝爾物理學(xué)獎）。
綠岸望遠(yuǎn)鏡：綠岸望遠(yuǎn)鏡曾隸屬于美國國家射電天文臺。建成于2001年，也是當(dāng)今世界上最為先進(jìn)的一臺射電望遠(yuǎn)鏡。其口徑為110米，與阿雷西博望遠(yuǎn)鏡不同，綠岸望遠(yuǎn)鏡是一臺全可動射電望遠(yuǎn)鏡（也是目前人類技術(shù)水平可以建造的最大的可動望遠(yuǎn)鏡），也就是說它可以主動指向想要觀測的目標(biāo)。綠岸望遠(yuǎn)鏡使用了獨(dú)特的偏心設(shè)計，其反射面并非完全對稱，這使得其饋源可以不位于反射面的正上方，也顯著的增加了望遠(yuǎn)鏡的有效口徑。綠岸望遠(yuǎn)鏡的表面精度十分的高，這也使得其可以勝任一部分毫米波的工作。
NANOGrav探測的下限是多少？
我們?nèi)绾潍@得下限？
如果你閱讀過引力波探測相關(guān)的材料，那你一定聽說過類似“頻率”和“應(yīng)變”這樣的名詞。引力波的頻率就是每秒內(nèi)發(fā)生的引力波數(shù)量；引力波的振幅，通常用字母h表示，指的是當(dāng)引力波經(jīng)過兩物體之間時，兩物體間距離的相對變化。
通過在數(shù)據(jù)集中搜尋連續(xù)波（來自單個源的波，而非來自引力波背景），NANOGrav合作組估計在8納赫茲時，在最靈敏的天區(qū)能夠探測到應(yīng)變?yōu)?7.3 ± 3 x 10^(-15) 的引力波。
圖2:數(shù)據(jù)集中所用不同脈沖星的位置。在脈沖星更多的天區(qū)我們可以收集更多的數(shù)據(jù)，也就可以探測到更小的振幅。用紅圈標(biāo)出的是全天最靈敏的點。
可探測引力波的最小頻率可以通過對總觀測時長（11.4年）取倒數(shù)得到，也就是2.8納赫茲。最高頻率由對脈沖星觀測的采樣頻率決定。由于一些脈沖星每隔數(shù)周才會被觀測一次，NANOGrav團(tuán)隊可以得到的最高頻率是826.7納赫茲。通過搜集更多的數(shù)據(jù)，NANOGrav團(tuán)隊可以不斷地提高儀器靈敏度，探測到更加微弱的引力波。（如圖3）在分析了34顆脈沖星至少3年的觀測數(shù)據(jù)后，團(tuán)隊并沒有在總長為11年的數(shù)據(jù)集中發(fā)現(xiàn)引力波的痕跡。
圖3:隨著更多的數(shù)據(jù)被收集，我們可以發(fā)現(xiàn)越來越低的振幅。
NANOGrav在數(shù)據(jù)集中發(fā)現(xiàn)了什么？
通過能探測到的應(yīng)變上限，利用啁啾質(zhì)量和引力波頻率，就可以知道至少可以探測到距離多遠(yuǎn)的天體和引力波頻率給出距離的下限。
啁啾質(zhì)量：由雙星系統(tǒng)中兩個天體質(zhì)量確定的物理量，由于最初引力波發(fā)現(xiàn)后人們用聲波模擬了所探測引力波并命名這種聲音為啁啾聲（chirp），因此將一個由兩天體質(zhì)量確定的物理量稱為啁啾質(zhì)量，啁啾質(zhì)量會確定引力波的波形。
在最靈敏的天區(qū)，我們發(fā)現(xiàn)在1.2億萬秒差距的范圍內(nèi)，沒有啁啾質(zhì)量大于10^9太陽質(zhì)量的雙超大質(zhì)量黑洞。而在55億秒差距的范圍內(nèi)，沒有啁啾質(zhì)量大于10^10太陽質(zhì)量的雙超大質(zhì)量黑洞。我們也可以使用脈沖星時間陣列來理解引力波來自的區(qū)域。這十分有趣，因為有許多近鄰星系中存在雙超大質(zhì)量黑洞候選體。
使用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)集，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)在室女座星系團(tuán)中不存在啁啾質(zhì)量大于1.6 x 10^9太陽質(zhì)量的雙超大質(zhì)量黑洞發(fā)射頻率為9納赫茲的引力波。這也就說明星系NGC4472，NGC4486，NGC4649中不存在能在這一頻率范圍內(nèi)發(fā)射引力波的雙超大質(zhì)量黑洞。所以，這一數(shù)據(jù)集并不僅僅告訴我們關(guān)于引力波的信息，而是同時具有天體物理方面的意義。
脈沖星時間陣列的未來如何？
NANOGrav正不斷優(yōu)化數(shù)據(jù)處理的過程。新的處理軟件，例如PINT（用于處理脈沖時間）和enterprise（用于引力波分析）正讓脈沖星時間陣列數(shù)據(jù)集的產(chǎn)生與分析變得更好。
世界各地的多個脈沖星時間陣列小組也正對脈沖星進(jìn)行觀測。這些小組，作為國際脈沖星時間陣列組織的一部分，正共同致力于建立最完整的脈沖到達(dá)時間集合?，F(xiàn)有估計是在未來10年內(nèi)就會有來自連續(xù)波源的引力波被成功觀測到。
NANOGrav正處在引力波科學(xué)研究的最前沿，所以請持續(xù)關(guān)注NANOGrav的結(jié)果。
責(zé)任編輯：陳艷玲
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