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引力波背景 (GWB):直接探测的突破

科学物理引力波背景 (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后于 1916 年首次被直接探测到。 但是,被认为存在于整个宇宙的连续低频引力波背景 (GWB)目前还没有被直接检测到。 北美纳赫兹引力波天文台 (NANOGrav) 的研究人员最近报告说,他们检测到了一种可能是“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 应该产生在宇宙中传播的引力波。 地球应该一直充斥着来自四面八方的引力波,但这些引力波未被发现,因为它们在到达地球时变得非常弱。 2015 年,LIGO-Virgo 团队成功探测到由距地球 1.3 亿光年距离的两个黑洞合并产生的引力波,直接探测引力波花了大约一个世纪的时间。 (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 一直记录至今。 大多数是由于两个黑洞的合并,少数是由于两颗中子星的碰撞 (2). 迄今为止探测到的所有引力波都是偶发性的,是由双黑洞或中子星相互盘旋、合并或碰撞引起的 (3) 并且频率高,波长短(以毫秒为单位)。   

然而,由于宇宙中可能存在大量的引力波源,因此来自宇宙各地的许多引力波可能会一直不断地穿过地球,形成背景或噪音。 这应该是连续的、随机的和低频小波。 据估计,它的某些部分甚至可能起源于大爆炸。 被称为引力波背景 (GWB),到目前为止还没有被探测到 (3).  

但我们可能正处于突破的边缘——北美纳赫兹引力波天文台 (NANOGrav) 的研究人员报告称,检测到一个可能是“引力波背景 (GWB)”的低频信号 (4,5,6).  

与 LIGO-virgo 团队从单个黑洞对中探测到引力波不同,NANOGrav 团队一直在寻找宇宙中无数黑洞在很长一段时间内产生的持久的、噪声一样的“组合”引力波。 重点是“引力波谱”另一端的“超长波长”引力波。

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 脉冲星 (MSP) 旋转非常快且长期稳定。 来自这些脉冲发生器的稳定光模式应该被引力波改变。 这个想法是观察和监测一组超稳定的毫秒脉冲星 (MSP),以了解信号到达地球的时间的相关变化,从而在我们自己的星系内创建一个“星系大小”的引力波探测器。 该团队通过研究 47 颗这样的脉冲星,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用于测量的射电望远镜。   

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。  

科学家研究宇宙完全依赖于光、X射线、无线电波等电磁辐射。与电磁辐射完全无关,2015年的引力探测为科学家们研究天体和了解天体打开了一扇新的机会之窗。宇宙,尤其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携带有关其起源和来源的信息而没有任何失真。(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,这可能有助于我们更好地了解宇宙的起源。

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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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