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2020-04-23 13:12:32來(lái)源：光明網(wǎng)作者：責(zé)任編輯：趙宇豪
大家好，我是國(guó)家天文臺(tái)的陸由俊。今天我們接著談引力波，脈沖星計(jì)時(shí)陣。
除了人造的“耳朵”之外，我們還可以利用宇宙中的天然的引力波探測(cè)器——脈沖星計(jì)時(shí)陣(pulsar timing array; PTA)來(lái)“聽(tīng)”約在十億分之一赫茲至百萬(wàn)分之一赫茲的甚低頻引力波。
圖：脈沖星藝術(shù)想象圖（Credit: NASA）
脈沖星是快速旋轉(zhuǎn)的中子星，同時(shí)它們還帶有較強(qiáng)的偶極磁場(chǎng)（類(lèi)似于地球磁場(chǎng)），沿著磁軸方向或者說(shuō)磁場(chǎng)的兩極方向（好比地球磁場(chǎng)的兩極）會(huì)產(chǎn)生射電輻射。
一般而言，脈沖星的磁軸與自轉(zhuǎn)軸是不重合的，隨著脈沖星的自轉(zhuǎn)，它產(chǎn)生的射電輻射束有可能掃過(guò)地球。每當(dāng)射電輻射束掃過(guò)地球時(shí)，地球上的射電望遠(yuǎn)鏡就會(huì)收到一個(gè)射電脈沖。在沒(méi)有任何噪聲或干擾的理想情況下，射電望遠(yuǎn)鏡會(huì)接收到一系列間隔相等的脈沖。
周期約為毫秒級(jí)的脈沖星稱(chēng)之為毫秒脈沖星，它們脈沖的周期就相當(dāng)穩(wěn)定，幾乎是宇宙中最穩(wěn)定的天然時(shí)鐘，周期變化率僅為10-20量級(jí)，完全可以忽略不計(jì)。因此它們產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的到達(dá)時(shí)間也是可以被準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的。
而當(dāng)引力波從毫秒脈沖星與地球之間穿過(guò)時(shí)，引力波會(huì)使地球與脈沖星之間的距離發(fā)生微小的變化，使得來(lái)自脈沖星的脈沖傳播至地球的到達(dá)時(shí)間也會(huì)發(fā)生細(xì)微的變化。通過(guò)觀測(cè)脈沖到達(dá)的時(shí)間變化，也就能來(lái)探測(cè)引力波信號(hào)。同時(shí)監(jiān)測(cè)很多顆穩(wěn)定毫秒脈沖星的脈沖到達(dá)時(shí)間及其變化，就可以準(zhǔn)確地測(cè)量引力波，這就是所謂的脈沖星計(jì)時(shí)陣測(cè)引力波。
當(dāng)然引起脈沖到達(dá)時(shí)間變化的原因可能不只是引力波，還有許多噪聲會(huì)影響脈沖的到達(dá)時(shí)間。不過(guò)所幸的是，不同的噪聲對(duì)不同的脈沖星影響不同，比如有的噪聲只存在于部分脈沖星的信號(hào)里，有的噪聲在不同脈沖星信號(hào)里遵循一定的變化規(guī)律，而引力波信號(hào)則會(huì)以特定的模式影響到每一顆脈沖星的脈沖信號(hào)到達(dá)時(shí)間。因此我們就需要通過(guò)對(duì)多顆脈沖星信號(hào)的到達(dá)時(shí)間的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，來(lái)鑒別哪些是噪聲，哪些是真正的信號(hào)。
這些脈沖星就形成一個(gè)陣列，稱(chēng)之為“脈沖星計(jì)時(shí)陣”，它的“臂長(zhǎng)”可以達(dá)到幾千至幾萬(wàn)光年，用于探測(cè)甚低頻引力波。
圖：PTA藝術(shù)想象圖（Credit:David Champion）
這里值得重點(diǎn)指出的是“脈沖星計(jì)時(shí)陣”中的“陣”指的是脈沖星的陣列，而并非是射電望遠(yuǎn)鏡陣列。原則上來(lái)講，哪怕只要有一臺(tái)像“天眼”FAST這樣大口徑、高靈敏度的射電望遠(yuǎn)鏡，對(duì)多顆脈沖星進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也是可以做脈沖星計(jì)時(shí)陣測(cè)量的。不過(guò)實(shí)際觀測(cè)上，當(dāng)然是大口徑的射電望遠(yuǎn)鏡越多越好，這樣不僅能同時(shí)監(jiān)測(cè)多顆脈沖星，也能補(bǔ)充其它望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)不到的脈沖星。
現(xiàn)在的PTA有澳大利亞的帕克斯脈沖星計(jì)時(shí)陣(PPTA)，歐洲脈沖星計(jì)時(shí)陣(EPTA)，北美納赫茲引力波天文臺(tái)(NANOGrav)。他們觀測(cè)了十多年，目前還沒(méi)觀測(cè)到引力波信號(hào)，但限制了引力波背景信號(hào)應(yīng)小于10-15量級(jí)。為了更加充分地利用數(shù)據(jù)，提高靈敏度，三大脈沖星計(jì)時(shí)陣列的數(shù)據(jù)被結(jié)合到一起，形成了國(guó)際脈沖星計(jì)時(shí)陣(IPTA)。
我國(guó)的“天眼”（FAST）結(jié)合其它40-60米射電望遠(yuǎn)鏡，已經(jīng)初步成立了中國(guó)脈沖星計(jì)時(shí)陣探測(cè)計(jì)劃。未來(lái)將要建設(shè)的新疆奇臺(tái)110米口徑的射電望遠(yuǎn)鏡等，也將脈沖星計(jì)時(shí)陣探測(cè)引力波作為它的主要科學(xué)目標(biāo)。另外，低頻引力波探測(cè)也是我國(guó)參與的國(guó)際平方公里陣（SKA）的主要科學(xué)目標(biāo)之一。
PTA可以用來(lái)探測(cè)星系中心的超大質(zhì)量雙黑洞旋近產(chǎn)生的連續(xù)引力波信號(hào)，以及來(lái)自宇宙中無(wú)數(shù)超大質(zhì)量雙黑洞的引力波疊加形成的隨機(jī)背景信號(hào)，宇宙早期相變中的拓?fù)淙毕菪盘?hào)等等。拓?fù)淙毕輹?huì)產(chǎn)生宇宙弦，宇宙弦就好比是宇宙中的“琴弦”，“琴弦”的斷裂會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的引力波。
有趣的一點(diǎn)是，脈沖星計(jì)時(shí)陣列PTA還可以探測(cè)引力波的“記憶效應(yīng)”。通常雙黑洞并合后，引力波的應(yīng)變降為零，也就消失了，但“記憶效應(yīng)”說(shuō)的就是，雙黑洞并合后，引力波信號(hào)雖然恢復(fù)平靜，卻是一個(gè)不為零的值。
今天我們就聊到這里。下一期，我們來(lái)談?wù)動(dòng)钪嫖⒉ū尘拜椛鋵?shí)驗(yàn)探測(cè)原初引力波。
主講人簡(jiǎn)介:陸由俊，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)崗位教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)槔碚撎祗w物理，包括黑洞物理、引力波天體物理、活動(dòng)星系核和類(lèi)星體等。
[責(zé)任編輯:趙宇豪]
