15 年后观测到通过脉冲星产生的宇宙噪音引信波
发布时间：2023-08-11 11:16:01 所属栏目：外闻 来源：
导读：在宇宙中，有一种极低频的引力波，它以一种周期性的方式轻轻地晃动着时空及其所包含的一切物质，这种震动之声异常清晰可辨。
这是来自世界各地几个研究小组的结论,他们同时在6月发表了一系列期刊文章,描述了对我们
这是来自世界各地几个研究小组的结论,他们同时在6月发表了一系列期刊文章,描述了对我们
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在宇宙中，有一种极低频的引力波，它以一种周期性的方式轻轻地晃动着时空及其所包含的一切物质，这种震动之声异常清晰可辨。 这是来自世界各地几个研究小组的结论,他们同时在6月发表了一系列期刊文章,描述了对我们在银河系这一角落内的毫秒脉冲星15多年的观测。至少有一个小组 -北美纳霍兹引力波天文台(NANOGrav)合作 -发现了确凿的证据表明,这些脉冲星的精确节奏受到这些长波引力波拉伸和挤压时空的影响。 “这是非常低频引力波的关键证据,”范德比尔特大学的斯蒂芬·泰勒说,他共同领导了这项搜索,现任合作的主席。 “多年来,NANOGrav正在开创一个全新的引力波宇宙窗口。” 引力波于2015年首次由激光干涉引力波天文台(LIGO)检测到。时空的短波长波动是由质量小于几百个太阳质量的较小黑洞或偶尔的中子星合并引起的。 现在的问题是:长波引力波 - 一年到十年周期 - 也是由黑洞产生的吗? 在NANOGrav联盟的一篇论文中,发表于8月1日在《天体物理学快报》(ApJ Letters)上,加州大学伯克利分校物理学家卢克·泽尔坦·凯利(Luke Zoltan Kelley)和NANOGrav团队认为,这种嗡嗡声很可能是成千上万对超大质量黑洞 - 每个质量为数十亿倍太阳质量 - 在宇宙历史上足够接近以至于合并所产生的。该团队产生了包含数十亿个源的超大质量黑洞二进制种群的模拟,并将预测的引力波签名与NANOGrav的最新观测进行了比较。 黑洞在合并前的轨道舞动以类似华尔兹舞者有节奏地振动舞池的方式振动时空。在138亿年宇宙年龄内发生的此类合并产生了引力波,今天像在池塘中扔了一把石子那么重叠,产生背景嗡嗡声。 由于这些引力波的波长以光年计量,检测它们需要一个银河大小的天线阵列 - 一组毫秒脉冲星。 “我想房间里的大象是我们仍然不100%确定它是否由超大质量黑洞二进制产生。这绝对是我们最好的猜测,它与数据完全一致,但我们并不确定,”凯利说,他是加州大学伯克利分校天文学助理兼职教授。 “如果它是二进制的,那么这将是我们第一次实际确认超大质量黑洞二进制的存在,这已经是一个巨大的难题50多年了。” “我们看到的信号来自空间和时间上的宇宙种群,三维的。 许多这样的二进制的集合共同给出了这种背景,”物理学家Chung-Pei Ma说,他是加州大学伯克利分校天文学和物理学系的朱迪·钱德勒·韦伯讲座教授,也是NANOGrav合作的成员。 马注意到,虽然天文学家使用射电,光学和X射线观测确定了一些可能的超大质量黑洞二进制,但他们可以使用引力波作为新的天候,引导他们在天空中搜索电磁波并对黑洞二进行详细研究。 马指导一个项目,以研究距离地球最近的100个超大质量黑洞,并渴望找到一个黑洞周围的活动迹象,这表明是一个二进制对,以便NANOGrav可以调谐脉冲星计时阵列探测天空的那一块引力波。 超大质量黑洞二进制发出引力波的时间可能有几百万年,然后才合并。 宇宙背景引力波的其他可能原因包括暗物质轴子,从宇宙诞生时遗留下来的黑洞 - 所谓的原始黑洞 - 和宇宙弦。 NANOGrav在APJ Letters上发表的另一篇论文概述了这些理论的局限性。 “其他团体表示,这来自宇宙通货膨胀或宇宙弦或其他种类的新物理过程本身非常激动人心,但我们认为二元是更可能的。 为了能够明确地说这来自二进制,但是,我们必须做的是测量引力波信号在天空中变化的程度。 二进制应该产生比替代来源大得多的变化,”凯利说。 “现在真正开始严肃地工作和兴奋,因为我们继续建立敏感性。 随着我们继续取得更好的测量，对超大质量黑洞二进制种群的约束将迅速变得越来越好。” 人们认为大多数星系的中心都有大质量黑洞,尽管很难检测到它们,因为它们发出的光线 - 从X射线到射电波,这是恒星和气体坠入黑洞时产生的 - 通常被周围的气体和尘埃阻挡。 马最近分析了一个大星系M87中心附近恒星的运动,并精确估计了它的质量 - 537亿倍太阳质量 - 尽管黑洞本身完全被遮蔽。 诱人的是,M87中心的超大质量黑洞可能是一个黑洞。 但没有人确定。 “我对M87或者甚至我们的银河中心人马座A*的问题是:你能在主要研究的黑洞附近隐藏第二个黑洞吗? 我认为目前没有人可以排除这种可能性,”马说。 “对于这种检测引力波来自超大质量黑洞二进制的烟囱必然来自未来的研究,在那里我们希望能够看到来自单个二元源的连续波检测。” 最新的星系模拟数据表明,由于两个合并星系的中心黑洞本身应下沉到较大质量级的合并形成星系的中心,因此类似这样的超大质量黑洞二进制很常见。 这些黑洞将开始互相环绕,尽管NANOGrav可以检测到的波仅在它们非常接近时才会发出,凯利说 - 类似于我们太阳系直径的10到100倍,或地球与太阳距离的1000到10000倍,即9300万英里。 但是与合并星系中的气体和尘埃的相互作用能否使黑洞螺旋内缩以实现这种程度的接近,从而使合并不可避免? “这一直是超大质量黑洞二进制中最大的不确定性:你如何使它们从星系合并后下降到它们实际上聚变的地方,”凯利说。 “星系合并使两个超大质量黑洞聚集在大约1千秒差距左右 - 约3200光年的距离,大致相当于一个星系核的大小。 但在能够产生引力波之前,它们需要下降5或6个数量级的更小分离。” “也可能这两个可能会停滞,”马指出。 “我们称之为最后一秒查问题。 如果您没有其他渠道将它们收缩,那么我们不会期望看到引力波。” 但是NANOGrav的数据表明,大多数超大质量黑洞二进制并没有停滞。 “我们看到的引力波的振幅表明合并相当有效,这意味着大量超大质量的黑洞二进制能够从这些大的星系合并尺度下降到非常非常小的亚秒尺度,”凯利说。 NANOGrav能够测量背景引力波,这要归功于毫秒脉冲星的存在 - 旋转速度非常快的中子星,以每秒几百次的频率向地球发出明亮的射电波束。 出于未知原因,它们的脉动率精确到毫秒的十分之一。 当第一颗这样的毫秒脉冲星于1982年被已故的加州大学伯克利分校天文学家唐纳德·贝克(Donald Backer)发现时,他很快意识到这些精确的闪光灯可以用来检测引力波产生的时空波动。 他创造了“脉冲星计时阵列”这个词来描述分散在我们附近星系中的一组脉冲星,可用作探测器。 2007年,贝克(Backer)是NANOGrav的创始人之一,该协作现在涉及190多名来自美国和加拿大的科学家。 该计划是至少每月监测一次我们银河系部分中的一组毫秒脉冲星,并在考虑运动效应后,寻找脉冲速率的相关变化,这些变化可以归因于通过 银河系中的长波引力波。 特定脉冲星信号的到达时间变化将是百万分之一秒量级,凯利说。 “只有统计上一致的变化才真正是引力波的标志,”他说。 “您会不断看到毫秒,十多毫秒尺度上的变化。 这仅仅是由于噪声过程。 但您需要深入探讨这些相关性,以捕捉幅度约为100纳秒的信号。” NANOGrav合作监测了68颗脉冲星,其中一些监测了15年,并在当前的分析中使用了67颗。 该小组公开发布了他们的分析程序,这些程序正被欧洲(欧洲脉冲星计时阵列)、澳大利亚(帕克斯脉冲星计时阵列)和中国(中国脉冲星计时阵列)的小组使用,以关联不同的脉冲星,部分与NANOGrav使用的重叠。 NANOGrav的数据支持几个其他关于宇宙历史上超大质量黑洞二进制合并种群的推论,凯利说。 例如,信号的振幅意味着种群倾向于更高的质量。 虽然已知的超大质量黑洞最大为200亿太阳质量,但产生背景的许多可能更大,可能是400亿或600亿太阳质量。 或者,我们认为的超大质量黑洞二进制可能要多得多。 “虽然观测到的引力波信号的振幅与我们的预期大体一致,但它确实有点高,”他说。 “因此,我们需要相对较大的超大质量黑洞的某种组合、这些黑洞的非常高发生率,而且它们可能需要能够相当有效地聚变才能产生我们看到的这些振幅。 或者可能是质量比我们想象的大20%,但它们的并购频率也是两倍,或者参数的某种组合。” 随着来自更多年份观测的更多数据,NANOGrav团队希望获得更有说服力的宇宙引力波背景证据及其产生原因,这可能是源的组合。 现在,天文学家对引力波天文学的前景感到兴奋。 “这是一种激动人心的新工具,”马说。 “这为超大质量黑洞研究开辟了一个全新的窗口。”我们可以利用它来寻找关于宇宙起源的线索。”他补充说， （编辑：聊城站长网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
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