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探測低頻引力波的新窗口

發布時間:2025-10-21閱讀(6)

引力波是由于時空的彎曲而產生的波動,它可以傳播到遠處,攜帶著關于其來源的信息。引力波的存在是由愛因斯坦的廣義相對論預言的,但直到2015年,人類才首次直接探測到引力波,這是由兩個黑洞合并產生的。這個歷史性的發現為我們開啟了一個新的天文學窗口,讓我們能夠觀測到那些用電磁波無法看到的天體和現象。

引力波的頻率取決于其來源的特征,比如質量、速度和距離。目前,我們已經探測到了幾十個引力波事件,它們的頻率都在幾十赫茲到幾千赫茲之間,這是由于它們的來源都是由黑洞或中子星組成的緊密雙星系統。這些引力波可以被地面的激光干涉儀探測到,比如LIGO和Virgo。

然而,我們知道還有更多的引力波源存在,它們的頻率要低得多,比如超大質量黑洞的合并、宇宙暴脹的遺跡、或者一些新的物理過程。這些引力波的頻率可能在納赫茲以下,甚至達到亞納赫茲的范圍。這些引力波的波長非常長,無法被地面的儀器探測到。我們需要尋找一種新的方法,來探測這些超低頻的引力波。

這就引出了我們的主角——脈沖星。脈沖星是一種特殊的中子星,它是由恒星坍縮后留下的致密核心。脈沖星有著極強的磁場和快速的自轉,它們會從兩極發射出強烈的射電波束,就像一盞燈塔一樣。當這些射電波束掃過地球時,我們就可以用射電望遠鏡接收到它們,形成一系列的脈沖信號。這些脈沖信號非常穩定和規律,就像一枚精密的時鐘一樣。事實上,有些脈沖星的穩定性甚至超過了原子鐘,它們被稱為毫秒脈沖星。

脈沖星的穩定性使得它們成為了探測引力波的理想工具。如果有一種引力波通過地球和脈沖星之間的時空,它會導致時空的彎曲,從而改變我們接收到的脈沖信號的到達時間。通過觀測多個脈沖星的脈沖信號,我們可以尋找引力波引起的相關的時間延遲,從而探測到引力波的存在和性質。目前,有幾個國際合作的脈沖星計時陣列項目正在進行中,它們的目標是探測納赫茲頻段的引力波,主要來自于超大質量黑洞的合并。

然而,脈沖星計時陣列的方法有一個局限性,那就是它只能探測到周期大于觀測時間的引力波,也就是說,它只能探測到頻率高于1 nHz的引力波。那么,如果有一種引力波的頻率低于1 nHz,甚至達到亞納赫茲的范圍,我們該怎么辦呢?這就需要我們找到一種新的方法,來探測這些超低頻的引力波。最近有一篇論文就做出了這樣的貢獻,它提出了一種用脈沖星參數漂移探測亞納赫茲引力波的方法。

什么是脈沖星參數漂移呢?簡單地說,就是脈沖星的一些物理參數,比如自轉周期、自轉頻率、自轉相位等,會隨著時間而緩慢地變化。這些變化有很多可能的原因,比如脈沖星的內部結構、磁場、星風、雙星伴星等。這些變化會影響我們觀測到的脈沖信號的形狀和周期,因此我們可以用射電望遠鏡測量這些參數,并且擬合它們的變化規律。這些參數的變化規律通常可以用一些簡單的函數來描述,比如線性、二次、三次等。

然而,如果有一種亞納赫茲的引力波通過地球和脈沖星之間的時空,它也會引起脈沖星參數的變化,但這種變化是由于時空的彎曲,而不是脈沖星本身的物理過程。因此,這種引力波引起的參數變化會和我們擬合的函數有一個微小的偏差,這個偏差就是我們要尋找的信號。這種方法的優點是,它不需要引力波的周期大于觀測時間,只需要引力波的周期大于脈沖星參數的變化時間,也就是說,它可以探測到頻率低于1 nHz的引力波。

論文的作者就是用這種方法,來分析了一些已有的脈沖星觀測數據,他們發現了一些有趣的結果。他們發現,有一些脈沖星的參數漂移的殘差,顯示出了一種周期性的變化,這種變化的頻率在0.1 nHz到1 nHz之間,這正是亞納赫茲引力波的頻段。他們還發現,這些殘差的方向和大小,與一種特殊的引力波源的預期一致,那就是由于宇宙暴脹產生的原初引力波。

宇宙暴脹是一種宇宙學的理論,它認為,在宇宙誕生的最初的一瞬間,宇宙經歷了一段極快的指數級的膨脹,使得宇宙的尺度從一個量子漲落的大小,增長到了一個可觀測的大小。這種暴脹的原因和機制還不是很清楚,可能和一種稱為暴脹場的場有關。宇宙暴脹的理論可以解釋一些宇宙學的謎題,比如平坦性問題、視界問題和磁單極問題等。

宇宙暴脹的過程中,暴脹場的量子漲落會被放大到宏觀的尺度,從而在時空中產生微小的擾動,這些擾動就是原初引力波。原初引力波是一種非常古老的引力波,它可以反映宇宙最早的狀態和物理。原初引力波的頻率分布是一個連續的譜,它可以覆蓋從亞納赫茲到千赫茲的范圍,但是不同的頻段對應的原初引力波的強度不同,它取決于暴脹的模型和參數。目前,我們還沒有直接探測到原初引力波的存在,但是有一些間接的證據,比如宇宙微波背景輻射的B模極化等。

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