天文学家如何利用脉冲星来观测暗物质的证据

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翻译：杨幸允

校对：牧夫校对组

编排：陶邦惠

后台：朱宸宇

https://ras.ac.uk/news-and-press/news/how-astronomers-are-using-pulsars-observe-evidence-dark-matter

艺术家笔下的脉冲星

图片来源：美国国家航天局（NASA）和加州理工喷气推进实验室（JPL-Caltech）

在宇宙“计时员”的帮助下，天文学家们探测到了潜在的暗物质天体的诱人的证据。

这些脉冲星——旋转着发出灯塔一般的、快速穿越宇宙的射电波束的中子星——被用来找出神秘的隐藏质量。

脉冲星之所以有这个外号，是因为它们发出电磁辐射的时间间隔，从几毫秒到几秒不等，非常有规律，这让它们成为非常精确的 “计时员”。

这项研究背后的天文学家、圣母大学的约翰·洛赛科（John LoSecco）教授说：“科学界已经研究出了非常精确的时间测量方法”。他将在本周于赫尔大学举行的（英国）国家天文学会议上介绍他的研究成果。

“在地球上我们有原子钟，在宇宙中我们有脉冲星。”

“虽然我们知道引力可以让光速减慢已经有一个多世纪了，但目前为止还没有什么应用。”

艺术家笔下的被自己强烈的磁场（蓝线）环绕的中子星。

图片来源：美国国家航天局戈达德航天中心

洛赛科教授观察到了脉冲星计时中的变化和延迟，这表明射电波束是绕过脉冲星和望远镜之间某个看不见的大质量区域传播的。

他认为这些看不见的质量是暗物质的候选者。

洛赛科教授研究了射电脉冲通常精确到纳秒级的到达时间。他利用帕克斯脉冲星计时阵（Parkes Pulsar Timing Array）发布的PPTA2巡天数据中射电脉冲的路径寻找证据。

这个正在进行的项目利用来自七个不同射电望远镜的数据对脉冲到达时间进行精确测量；它们分别是： 埃菲尔斯伯格望远镜（Effelsberg Telescope）、南赛射电望远镜（Nançay Radio Telescope）、韦斯特博克射电天文台（Westerbork Radio Observatory）、绿岸射电望远镜（Green Bank Telescope）、阿雷西博射电望远镜（Arecibo Radio Telescope）、帕克斯射电望远镜（Parkes Radio Telescope）和洛弗尔射电望远镜（Lovell Radio Telescope），（后者位于柴郡）。

在三个观测波段中，脉冲的周期约为三周。

暗物质导致的到达时间偏差有明确的形状，而且它的大小与暗物质的质量成正比。

经过暗物质区域附近的光线会因暗物质的存在而变慢。对 65 颗 “毫秒脉冲星 ”的精确数据进行搜索后发现，大约有十几个脉冲星（的射电波）似乎与暗物质发生了相互作用。

脉冲星，大质量区域和观测者的示意图。M为质量，D为质量距离射电脉冲的最短距离。

图片来源：约翰·洛赛科。

洛赛科教授说：“我们利用了地球在运动、太阳在运动、脉冲星在运动，甚至暗物质也在运动这一事实。”

“我们探测到了由我们所观测的（暗物质）质量与我们的‘时钟’脉冲星视线之间的距离变化所导致的到达时间偏差。”

太阳大小的质量可以产生大约 10 微秒的延迟。洛赛科教授的观测分辨率为纳秒级，比这小一万倍。

“其中一项发现表明，（到达时间的）扭曲是由太阳质量20%的天体造成的，”洛赛科教授说，“这个天体可能是暗物质的候选者。”

他还证实，这项研究的另一个作用是对脉冲星计时数据样本的改进。收集这一精确样本是为了寻找低频引力辐射的证据。

暗物质天体会给这些数据带来“噪音”，因此识别并移除暗物质天体将清除样本中的一些偏差，从而在其他引力辐射的搜索中消除这些噪音。

“暗物质的真正本质是一个谜，”洛赛科 教授说，“这项研究帮助揭示了暗物质的本质及其在银河系中的分布，还可能提高了精确脉冲星数据的准确性。”

责任编辑：郭皓存

牧夫新媒体编辑部

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图片来源及版权：Mark Hanson & Martin Pugh, Observatorio El Sauce

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