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艺术家的一颗脉冲星的描绘. (Image credit: NASA's Goddard Space Flight Center)
保罗萨特(Paul M. Sutter是纽约大学石溪分校和弗拉提顿研究所的天体物理学家, '问一个太空人Ask a Spacemanb)' '太空电台Space Radio'(的主持人'怎样在太空中死去How to Die in Space'一书的作者
天文学家希望用散布在银河系周围的脉冲星作为一个巨大的引力波探测器。但我们为什么需要它们而它们怎样工作呢?
引力波或空时织造中的涟漪来自各种恒定的晃动过整个宇宙的来源。就在现在随一波又一波的穿过你你正在被稍微拉伸和挤压。这些波来自合并的黑洞、巨星的爆炸甚至大爆炸的最早时刻。
在地球上,我们已经开发了令人难以置信灵敏的引力波探测器,已经能够感知短暂但响亮的事件,例如黑洞合并,这些事件只持续几秒钟,但产生如此巨大我们能检测到它们的信号。(“巨大”在这里是一个相对的术语;由波引起的畸变小于一个原子核的宽度)。
但基于地面的探测器有一个发现低频引力波的远更艰难的时间,因为这些引力波要用数周、数月甚至数年来穿过地球。这些低频波来自巨型黑洞的合并,这些黑洞的合并比它们更小的表亲要用远更长时间。我们的探测器只是没有来测量如此长的时间跨度内这些微小差异的灵敏度。为此,我们需要一个远更大更大的探测器。
因此,不是用地面上的仪器而是我们能用遥远的脉冲星来帮助我们测量引力波。这就是所谓的脉冲星定时阵列背后的想法。
为脉冲星提供动力
脉冲星已经是奇妙的天体,对用作引力波探测器的各种脉冲星这尤其真实的。
脉冲星是巨星的残余核,是从来知道居住在宇宙中的最奇异的天体之一。它们是几乎纯由中子制成的超密度球,为良好测量扔进一些电子和质子。这些旋转的电荷激发起令人难以置信的强磁场------在某些情况下是宇宙中最强大的磁场。
这些强烈的磁场也鞭打起强烈的电场。它们共同为辐射束提供动力(如果你在这里得到死星气氛你离这里不远),从磁极在各个方向中炸出。这些磁极并不总是与脉冲星的旋转轴对齐,就像地球的南北磁极不与我们星球的旋转轴对齐一样。
这迫使辐射束来扫出天空中的圆圈。当这些光束穿过地球时我们视它们为无线电脉冲星是难以置信有规则的。它们是如此之重、旋转得如此之快以至于我们能用它们的闪光用作极其精确的时钟。但大多数脉冲星对随机星震是易感的(当恒星的内容物四处移动扰乱脉冲星的旋转时),故障和减速下来会改变它们的规律性。这意味着大多数脉冲星对研究引力波是不适合的。
因此,相反,时序阵列依赖于一个叫毫秒脉冲星的脉冲星子集,顾名思义有一个几毫秒的旋转周期。天文学家认为毫秒脉冲星是“复活”的脉冲星,在从一个伴星落下物质后就像一个成年人在校园旋转木马上推一个孩子一样加速它们到令人难以置信的旋转速度。
由于它们的荒谬的速度,毫秒脉冲星能在很长的时间尺度上保持惊人的精度。例如,一颗脉冲星PSR B1937+21有一个为1.5578064688197945 +/- 0.0000000000000004秒的旋转周期。这与我们最好的原子钟有相同的精度水平。
而那些毫秒级脉冲星是完美的引力波探测器。
计时这个阵列
这里是它怎样工作的。首先,天文学家观察尽可能多的毫秒脉冲星的旋转周期。如果一个引力波经过地球,过一个脉冲星甚至我们之间,那么随它通过它将改变地球和脉冲星之间的距离。随着波移动,脉冲星会出现稍微更靠近然后稍微更远,这种距离中的变化对我们出现为旋转周期中的变化。来自脉冲星的一次闪光可能有点太快到达,然后另一个可能有点太晚到达。对一个典型的引力波来说,时间中的变化是令人难以置信的小------一个每隔几个月变化1020纳秒的变化。但毫秒脉冲星的测量是足够灵敏的,这些变化能被探测到------至少在原则上。
“脉冲星计时阵列”的“阵列”部分来自同时研究许多同时脉冲星并寻找共相关的运动:如果一个引力波经过空间的一个区域,那么脉冲星在该方向上的所有时间都将同步移动。
几十年来,世界各地的许多合作已经用射电望远镜来研究脉冲星计时阵列。到目前为止,它们有过有限的成功,从各种脉冲星中发现时间中的变化,但没有共相关的暗示。但每年,这些技术都会变得更好,希望是这很快,这些阵列将解锁引力波宇宙的一个宏大部分。
不寻常“复活的”脉冲星可能是终极引力波探测器

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