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多手段结合探测超低频引力波

来源:科技日报时间:2021-11-12 10:54:11

大规模、剧烈的天文事件可以产生引力波。自2015年9月首次探测到引力波以来,科学家一直在持续监听这些宇宙中的低沉“声音”,但他们并未能探测到超低频引力波。主流理论认为,超低频引力波是由超大质量天体相互碰撞或大爆炸后不久的某些事件产生的。因此,超低频引力波可以为我们揭示古老的黑洞或早期宇宙的奥秘。在近日发表于《自然·天文学》的一项研究中,来自英国伯明翰大学的研究人员表示可以结合不同的观测方法探测超低频引力波。

引力波振荡频率取决于其产生的原因

天文学家主要依靠电磁辐射(也就是光)来研究宇宙。但是光在传播过程中会与外太空的物质(比如尘埃)相互作用,这就导致在我们的“视野”中,星空是模糊的。而引力波则几乎不受此限制,可以让我们更好地“聆听”宇宙。引力波由大质量物质加速运动产生,以光速穿越宇宙,引发时空涟漪。借助激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座探测器(Virgodetector),科学家可以监听引力波。

但目前为止,科学家探测到的大部分引力波频率都高于毫赫兹级别,纳赫兹级别的超低频引力波则很难被探测到。前者由普通恒星或20—30倍太阳质量的较小黑洞产生,而后者则可能由数百万至数十亿倍太阳质量的超大质量黑洞并合引起,还可能来自大爆炸后不久发生的事件,远早于星系形成。

德国马克斯·普朗克独立引力物理研究所的负责人弗兰克·欧姆解释说,引力波的振荡频率取决于其产生的原因。“不同频率的引力波的效果是一样的;它会拉伸和挤压空间和时间。”欧姆说,“低频的信号要慢一些,所以物体挤压和拉伸所需的时间比高频信号长得多。”

多手段结合探测超低频引力波

探测超低频引力波主要依靠脉冲星,尤其是毫秒脉冲星。脉冲星是一种致密的、高度磁化的恒星,它在旋转的同时规律地发出无线电波脉冲,因此也被称为“宇宙灯塔”。超低频引力波可能让脉冲星发出的无线电波脉冲间隔时间产生微小的变化,科学家就利用这些变化来寻找这种超低频引力波。

虽然毫秒脉冲星可能会是探测超低频引力波的主要方法,但研究人员认为毫秒脉冲星的信号变化不足以反映引力波产生的来源。今年1月,北美纳赫兹引力波天文台(NANOGrav)通过遥远的脉冲星信号,探测到可能存在的超低频引力波,但尚未得到证实。

因此,研究人员建议结合多种方法来探测超低频引力波的来源。“除了脉冲星,我们需要寻找其他探测器、仪器、实验……任何能检测到引力波的方法,都可能有所帮助。”上述论文主要作者、英国伯明翰大学引力波天文研究所和物理与天文学院的研究员克里斯托弗·摩尔说。

研究人员建议,将脉冲星数据与欧洲航天局的“盖亚”探测器的观测结果结合起来;或对宇宙大爆炸的核合成模型展开研究,它是基于大爆炸后不久存在的原子种类建立的早期宇宙模型。“这两种方法目前都还不能探测到引力波,但它们可以为引力波的频率设定边界。”摩尔说。

自从研究人员首次发现引力波以来,这些穿越时空的涟漪为人类开启了观察宇宙的新领域。现在,科学家或许即将“解锁”超低频引力波,这是激动人心的时代,我们在“聆听”宇宙之音。

欧姆说:“我们刚刚开始探索宇宙中的超大质量黑洞,我们尚不确定它们的质量和数量。因为它们很重,它们产生的引力波不仅频率较低,而且其本身非常‘响’。所以黑洞越重,它们产生的时空扭曲就越大,我们就可以看得更远。”

但是,要想让超低频引力波提供有用的信息,科学家就必须知道它的来源。“这是关键。”摩尔说,“因为需要知道我们是在观察离我们较近的黑洞发出的信号,还是在目睹与大爆炸的时间更接近的、更古老的宇宙进程。”摩尔预测,科学家将在不远的将来探测到超低频引力波。这可能有助于我们进一步理解宇宙或超大质量黑洞的形成。“这是研究天文学的全新方式,非常令人兴奋。”摩尔说。

责任编辑:FD31
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