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引力波背景 (GWB):直接探测的突破

引力波 在 2015 年爱因斯坦广义相对论预测一个世纪之后,1916 年首次被直接探测到。但是,连续的低频 引力-波背景(GWB)被认为存在于整个过程中 宇宙 目前尚未被直接检测到。北美纳赫兹天文台的研究人员 引力波 (NANOGrav)最近报告检测到可能是“引力波背景(GWB)”的低频信号。   

爱因斯坦于 1916 年提出的广义相对论预测,超新星或合并等重大宇宙事件 黑洞 应该产生 引力波 传播通过 宇宙。地球应该充满 引力波 一直来自四面八方,但它们未被发现,因为它们到达地球时变得极其微弱。直接探测引力波花了大约一个世纪的时间,2015年LIGO-Virgo团队成功探测到了引力波 引力波 由于两个公司合并而产生 黑洞 距离地球1.3亿光年 (1). 这也意味着检测到的涟漪承载着大约 1.3 亿年前发生的宇宙事件的信息。  

自 2015 年首次发现以来,已有大量 引力涟漪 迄今为止已被记录。其中大部分是由于两家公司的合并 黑洞,很少是由于两颗中子星碰撞造成的 (2)。全部检测到 引力波 到目前为止都是偶发的,是由于二进制对引起的 黑洞 或中子星旋转并合并或相互碰撞 (3) 并且频率高,波长短(以毫秒为单位)。   

然而,由于存在大量来源的可能性 引力波 ,在 宇宙 因此许多 引力波 来自各地的一起 宇宙 可能一直不断地穿过地球,形成背景或噪音。这应该是连续的、随机的、低频小波的。据估计,其中一部分甚至可能起源于宇宙大爆炸。被称为 引力-波背景(GWB),目前尚未检测到 (3).  

但我们可能正处于突破的边缘——北美纳赫兹天文台的研究人员 引力波 (NANOGrav)报告检测到可能是“引力波背景(GWB)”的低频信号 (4,5,6).  

与 LIGO-virgo 团队发现的不同 引力波 从个别对 黑洞, NANOGrav 团队一直在寻找持久的、类似噪音的“组合” 引力波 由无数人在很长一段时间内创造出来的 黑洞 ,在 宇宙。焦点是“非常长的波长” 引力波 在“引力波谱”的另一端。

与光和其他电磁辐射不同,引力波不能用望远镜直接观察到。  

NANOGrav 团队选择了 毫秒 旋转速度非常快且长期稳定的脉冲星(MSP)。这些脉冲发生器发出稳定的光模式,这些光模式应该会被引力波改变。这个想法是观察和监测一组超稳定毫秒脉冲星(MSP),以了解信号到达地球时间的相关变化,从而创建“星系我们自己的“大小”引力波探测器 星系。该团队通过研究 47 颗此类脉冲星,创建了一个脉冲星计时阵列。阿雷西博天文台和绿岸望远镜是 无线电电路 用于测量的望远镜。   

迄今为止获得的数据集包括 47 个 MSP 和超过 12.5 年的观察结果。 基于此,虽然检测到的低频信号非常表明是直接检测到 GWB,但无法最终证明直接检测到 GWB。 或许,下一步是在阵列中加入更多脉冲星,并对其进行更长时间的研究以提高灵敏度。  

要研究 宇宙,科学家们完全依赖电磁辐射,如光、X射线、 无线电电路 引力波与电磁辐射完全无关,2015年的引力探测为科学家研究天体、了解天体现象打开了一扇新的机会之窗。 宇宙 特别是那些电磁天文学家看不见的天体事件。此外,与电磁辐射不同,引力波不与物质相互作用,因此几乎不受阻碍地传播,携带有关其起源和来源的信息,没有任何失真。(3)

引力波背景(GWB)的探测将进一步扩大机会。甚至有可能探测到大爆炸产生的波,这可能有助于我们了解宇宙的起源 宇宙 以更好的方式。

***

参考文献:  

  1. Castelvecchi D. 和 Witze A.,2016 年。 爱因斯坦的引力波终于被发现了。 自然新闻 11 年 2016 月 XNUMX 日。DOI: https://doi.org/10.1038/nature.2016.19361  
  1. Castelvecchi D.,2020 年。关于宇宙的 50 次引力波事件揭示了什么。 自然新闻于 30 年 2020 月 XNUMX 日发布。DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-020-03047-0  
  1. LIGO 2021。引力波的来源和类型。 可在线获取 https://www.ligo.caltech.edu/page/gw-sources 12 年 2021 月 XNUMX 日访问。 
  1. NANOGrav 合作,2021 年。NANOGrav 发现了低频引力波背景的可能“初步线索”。 可在线获取 http://nanograv.org/press/2021/01/11/12-Year-GW-Background.html 12 年 2021 月 XNUMX 日访问 
  1. NANOGrav Collaboration 2021. 新闻发布会——在 12.5 年的 NANOGrav 数据中寻找引力波背景。 11 年 2021 月 XNUMX 日。在线提供: http://nanograv.org/assets/files/slides/AAS_PressBriefing_Jan’21.pdf  
  1. Arzoumanian Z., et al 2020. NANOGrav 12.5 年数据集:搜索各向同性随机引力波背景。 天体物理学杂志快报,第 905 卷,第 2 期。DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/abd401  

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乌梅什·普拉萨德(Umesh Prasad)
乌梅什·普拉萨德(Umesh Prasad)
科学记者| 《科学欧洲》杂志创始人编辑

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