廣義相對論預(yù)言的引力波

1919年，愛因斯坦的廣義相對論就預(yù)言了引力波的存在。在廣義相對論中，引力被描述成時(shí)空彎曲的幾何效應(yīng)，而物質(zhì)和能量的分布引起時(shí)空的彎曲。

加速運(yùn)動的物體會引起時(shí)空曲率的擾動，并以光速傳播出去，這種現(xiàn)象就是引力波(圖1)。引力波能無阻礙地在宇宙中傳播，攜帶其產(chǎn)生源的保真信息。

圖1 引力波的形象圖，時(shí)空的“漣漪”

引力波天文學(xué)時(shí)代的到來

圖2 兩地的LIGO探測器觀測到GW150914的引力波信號

2015年9月14日，美國的激光干涉儀引力波天文臺(以下簡稱LIGO)分別位于路易斯安那州和華盛頓州的兩個(gè)探測器幾乎同時(shí)捕捉到一個(gè)引力波信號(圖2)。這個(gè)被命名為GW150914的事件來自于距離地球十幾億光年之外的兩個(gè)恒星量級黑洞的并合。

這是人類首次直接探測到引力波和黑洞的碰撞與并合過程。這個(gè)重大發(fā)現(xiàn)打開了一扇觀測宇宙的新窗口，意味著引力波天文學(xué)時(shí)代的到來。

2017年8月17日，LIGO探測到GW170817的引力波信號，并觀測到電磁波的對應(yīng)體，發(fā)現(xiàn)引力波來自兩個(gè)中子星的并合，首次實(shí)現(xiàn)天體的引力波和電磁波的多信使觀測。

目前引力波探測的4個(gè)頻段

理論研究表明引力波的頻率范圍非常寬，它由不同的引力波源貢獻(xiàn)，目前正在實(shí)施或計(jì)劃的引力波探測項(xiàng)目主要關(guān)注以下四個(gè)頻段：

(1)高頻(10-103赫茲)，探測器是以LIGO為代表的地基激光干涉儀，重要引力波源是致密雙星(中子星和恒星級黑洞);

(2)低頻(0.1-100毫赫茲)，探測器是以LISA為代表的空間激光干涉儀，重要引力波源是大質(zhì)量雙黑洞(104-107太陽質(zhì)量);

(3)甚低頻(1-100納赫茲)，探測方式是利用大口徑射電望遠(yuǎn)鏡開展脈沖星的高精度計(jì)時(shí)觀測，重要引力波源是超大質(zhì)量黑洞(106-109太陽質(zhì)量);

(4)極低頻(10-18-10-15赫茲)。探測方式是宇宙微波背景輻射的偏振測量，主要探測宇宙早期引力場的量子擾動產(chǎn)生的、暴漲時(shí)期被放大的原初引力波。

脈沖星計(jì)時(shí)觀測與引力波

圖3 觀測多顆的脈沖星，形成計(jì)時(shí)陣，捕捉經(jīng)過的引力波信號

脈沖星是帶有強(qiáng)磁場的旋轉(zhuǎn)中子星，目前已知的脈沖星有2500余顆，它們的自轉(zhuǎn)周期從1.4毫秒至8.5秒，其中自轉(zhuǎn)周期小于20毫秒的脈沖星有300余顆，這類毫秒脈沖星是極其穩(wěn)定的天然時(shí)鐘，周期變化率一般在10-20量級。脈沖星計(jì)時(shí)觀測就是測量毫秒脈沖星的脈沖信號的到達(dá)時(shí)間。

單個(gè)脈沖通常很不穩(wěn)定而且非常微弱，而大量的脈沖疊加在一起卻具有非常穩(wěn)定的輪廓。那么脈沖星計(jì)時(shí)觀測如何測量引力波?

實(shí)際上，引力波會引起所傳播時(shí)空的變形，當(dāng)有引力波通過地球與脈沖星之間的時(shí)候，脈沖星發(fā)出的射電波所經(jīng)過的路徑就會被周期性地壓縮和拉長，導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡接收到的脈沖信號出現(xiàn)周期性地早到和延遲。對脈沖到達(dá)時(shí)間進(jìn)行長期監(jiān)測，就有希望捕捉到引力波信號。

然而，僅觀測一顆脈沖星是不夠的，因?yàn)樵S多噪聲會掩蓋引力波信號，但單顆脈沖星的觀測可以用來限制可能存在于數(shù)據(jù)中的引力波信號強(qiáng)度，為此，天文學(xué)家提出脈沖星計(jì)時(shí)陣的概念，即同時(shí)監(jiān)測多顆脈沖星(圖3)，尋找引力波對不同脈沖星計(jì)時(shí)信號造成的相互關(guān)聯(lián)影響。

消除各種噪聲干擾

引力波探測的主要挑戰(zhàn)是引力波的信號太弱，通常被掩藏于各種噪聲之中。對于某一顆脈沖星的計(jì)時(shí)信號噪聲，包括望遠(yuǎn)鏡觀測系統(tǒng)自身的噪聲、射頻干涉、脈沖輪廓不穩(wěn)定引起的噪聲、脈沖星自轉(zhuǎn)不穩(wěn)定引起的噪聲、星際介質(zhì)引起的噪聲等。

另外，時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的不穩(wěn)定性和太陽系星歷表的不準(zhǔn)確都會導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)中出現(xiàn)相互關(guān)聯(lián)的噪聲。

幸好，通過觀測足夠多的脈沖星，引力波引起的計(jì)時(shí)殘差的相關(guān)性可以從這些噪聲中分離出來。

目前世界上的脈沖星計(jì)時(shí)陣觀測項(xiàng)目

現(xiàn)在全世界一共有三個(gè)脈沖星計(jì)時(shí)陣的觀測項(xiàng)目：

(1)PPTA項(xiàng)目，采用澳大利亞65米Prakes射電望遠(yuǎn)鏡，已對20顆毫秒脈沖星進(jìn)行了5年以上的計(jì)時(shí)觀測;

(2)EPTA項(xiàng)目，采用德國100米Effelsberg、英國76米Lovell、法國94米Nancay、荷蘭96米Westerbork射電望遠(yuǎn)鏡等，已觀測42顆毫秒脈沖星，其中22顆有5年以上的計(jì)時(shí)觀測;

(3)NANOGrav項(xiàng)目，采用美國305米Arecibo和100米Green Bank射電望遠(yuǎn)鏡，已對45顆毫秒脈沖星進(jìn)行了11年的計(jì)時(shí)觀測，利用數(shù)據(jù)開展了引力波背景的初步探討。

這些項(xiàng)目都通過提高計(jì)時(shí)精度或降低噪聲水平、采集更多的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)和觀測更多的脈沖星，來提高脈沖星計(jì)時(shí)陣探測引力波的靈敏度。

2016年，國際脈沖星計(jì)時(shí)陣合作組發(fā)布了第一次數(shù)據(jù)，意味著納赫茲引力波探測向前邁出了非常重要的一步。

納赫茲引力波源

納赫茲引力波的重要源是超大質(zhì)量黑洞，正在并合的超大質(zhì)量雙黑洞具有強(qiáng)扭曲的時(shí)空和相對論性運(yùn)動，它們產(chǎn)生時(shí)空的強(qiáng)擾動或漣漪，即宇宙中最強(qiáng)的引力波信號。與恒星級黑洞雙星并合產(chǎn)生引力波的波形相似，但具有更長的時(shí)間變化和更大的變化幅度，其信噪比可達(dá)103，遠(yuǎn)高于恒星級黑洞產(chǎn)生的引力波幅度(信噪比10左右)。

以引力波探測作為信使，將變革我們對超大質(zhì)量黑洞的誕生、增長和演化的認(rèn)識，以及它們對宇宙結(jié)構(gòu)形成的作用的認(rèn)識。目前我們對超大質(zhì)量黑洞的認(rèn)識主要來自對不同演化時(shí)期活動星系核或類星體的電磁波觀測。

在宇宙黎明時(shí)期(紅移大約20)的物理過程不能通過電磁波觀測研究，這時(shí)宇宙是不透明的，直至紅移z=7.5才透明。目前發(fā)現(xiàn)最遠(yuǎn)距離的類星體是紅移大于7，這對它們在不透明時(shí)代的形成給出重要限制。引力波觀測將成為揭示宇宙黎明時(shí)期超大質(zhì)量黑洞的存在和物理的主要手段。

另外，通過測量黑洞自旋和角動量的夾角，可以收集超大質(zhì)量黑洞與周圍環(huán)境的相互作用，了解雙黑洞的演化是否由周圍氣體驅(qū)動。

特別地，氣體可以對黑洞自旋施加耗散力矩，使黑洞自旋方向與氣體角動量趨同，這也對并合產(chǎn)生超大質(zhì)量黑洞的命運(yùn)有重要意義，而且正在并合超大質(zhì)量雙黑洞的并合率和性質(zhì)與它們的寄主星系關(guān)聯(lián)。納赫茲引力波可能還包括其它成分的貢獻(xiàn)，如宇宙弦產(chǎn)生的引力波和原初引力波等。

除了引力波探測，高精度脈沖星計(jì)時(shí)觀測還有其它用途，如雙星系統(tǒng)和中子星質(zhì)量的研究、脈沖星位置和空間速度測量、廣義相對論檢驗(yàn)、電離星際介質(zhì)分析、建立獨(dú)立的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)、尋找太陽系內(nèi)的天體和深空導(dǎo)航等，具有重要的科學(xué)價(jià)值。

中國在納赫茲引力波探測方面將有所作為

圖4 位于云南省景東縣哀牢山的徐家壩水庫旁的候選臺址

貴州500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)的建成和云南景東120米脈沖星望遠(yuǎn)鏡的規(guī)劃建設(shè)，將引領(lǐng)我國納赫茲引力波探測的發(fā)展。

兩架望遠(yuǎn)鏡的組合觀測，將顯著增加毫秒脈沖星的觀測數(shù)目，極大提高納赫茲引力波探測靈敏度，通過長期和大量脈沖星的觀測，有望探測到第一個(gè)納赫茲引力波信號。

中國科學(xué)院云南天文臺經(jīng)過多年選址，發(fā)現(xiàn)云南省景東縣徐家壩是世界上稀缺的低緯度、無線電環(huán)境寧靜的優(yōu)良臺址(圖4)，并提出建設(shè)120米全可動脈沖星射電望遠(yuǎn)鏡。

它觀測脈沖星的綜合性能比目前世界最大的百米級全可動射電望遠(yuǎn)鏡Effelsberg和Green Bank提高近一倍;它與FAST望遠(yuǎn)鏡組合觀測，將成為觀測脈沖星的天區(qū)最廣、靈敏度最高的望遠(yuǎn)鏡，全面超越國際上三個(gè)脈沖星計(jì)時(shí)陣項(xiàng)目。

該望遠(yuǎn)鏡預(yù)計(jì)投資經(jīng)費(fèi)3.5億元，建設(shè)周期3年，將是科學(xué)意義重大、投資效率高的望遠(yuǎn)鏡。

(作者單位：中國科學(xué)院云南天文臺)

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