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罕見的「甦醒的」脈衝星可能是最終的引力波探測器
天文學家希望利用散佈在銀河周圍的脈衝星作為巨大的引力波探測器。我們又為什麼需要它們﹐如何利用它們工作的呢﹖
引力波或時空結構中的微瀾﹐各種來源﹐不斷地在宇宙中晃動。現在﹐當一波又一波穿過你的身體時﹐你正受到輕微的拉伸和擠壓。這些波來自合併的黑洞﹑巨大恆星的爆炸﹐甚至是大爆炸的初期。在地球上﹐我們已經開發出非常靈敏的引力波探測器﹐能夠感知短暫但響亮的事件﹐比如黑洞合併﹐這種事件只持續幾秒鐘﹐但會產生如此巨大的信號﹐我們得以探測到。 (「巨大」在這裡是一個相對的詞﹔由通過的波引起的畸變小於原子核的寬度。)
地面探測器發現低頻引力波的難度在低頻引力波需要數周﹑數月甚至數年才能穿過地球。並且它來自大黑洞的合併﹐它們比小黑洞合併的時間要長得多。探測器從靈敏度﹑長時間跨度內測量微小的差異未具備條件。為此需要一個更大的探測器。我們利用遙遠的脈衝星來協助測量引力波﹐而不是使用地面上的儀器。這就是所謂脈衝星定時陣列背後的想法。
脈衝星是神奇的物體﹐尤其是用作引力波探測器的脈衝星。脈衝星是巨星殘留物﹐是宇宙中已知的最奇異的天體之一。它們是幾乎完全由中子製成的超密度球﹐其中有一些電子和質子。電荷旋轉會產生難以置信的強磁場﹐在某些情況下是宇宙中最強大的磁場。
強磁場也會產生強電場。它們一起為從磁極向各個方向發射的輻射束提供能量(如果你在這裡感受到死星的振動﹐你就不遠了)。這些磁極並不總是與脈衝星的旋轉軸對齊﹐就像地球的南北磁極不與我們星球的旋轉軸一致同理。這迫使輻射束在天空中掃出圓圈。當這些光束穿過地球時我們看到了無線電發射的週期性閃光﹐將「脈衝」放入「脈衝星」中。
脈衝星非常有規律。它們重﹑旋轉快﹐我們用它們的閃光作為極其精確的時鐘。但大多數脈衝星容易受到隨機星震(當恆星的內容物四處移動﹐干擾脈衝星的旋轉)﹑故障和減速的影響﹐以至改變它們的規律性。大多數脈衝星都不適合應用於引力波研究。
計時陣列依賴於脈衝星的一個子集﹐即毫秒脈衝星﹐顧名思義﹐它的旋轉週期為幾毫秒。天文學家認為毫秒脈衝星是「甦醒的」脈衝星﹐在伴星墜落的物質加速後它們的旋轉速度達到了令人難以置信的速度﹐就像大人推著孩子上學校裡的旋轉木馬一樣。由於毫秒脈衝星的速度驚人﹐它們可以在很長的時間尺度內保持同等精度。例如﹐脈衝星PSR B1937+21的旋轉週期為1.5578064688197945 +/- 0.0000000000000004秒。這和我們最好的原子鐘的精度是一樣的。而這些毫秒脈衝星無疑是完美的引力波探測器。
天文學家觀察盡可能多的毫秒脈衝星的自轉週期。如果引力波經過地球﹑脈衝星甚至我們之間﹐它同時將改變地球和脈衝星之間的距離。隨著波的移動﹐脈衝星的距離也會時遠時近﹐以此類推直到波繼續移動。在我們看來距離的變化將表現為旋轉週期的變化。脈衝星的一道閃光可能來得有點太早﹔那麼另一個可能會來得有點晚。一個典型的引力波﹐時間的變化非常微小﹐每幾個月才10或20納秒。但對毫秒脈衝星的測量已經足夠靈敏﹐至少理論上可以檢測到這些變化。
「脈衝星計時陣列」的「陣列」部分來自於同時研究許多脈衝星並尋找相關運動：如果引力波經過空間的一個區域﹐那麼該方向的所有脈衝星的計時一致。幾十年來﹐世界各地的許多合作單位都使用射電望遠鏡研究脈衝星定時陣列。到目前為止﹐他們的成功很有限﹐發現了各種脈衝星的時間變化﹐但沒有發現相關性的跡象。每年﹐技術都在進步﹐希望很快﹐這些陣列就能解開宇宙引力波的大部分。
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