新研究综合射电望远镜数据揭示了扭曲时空的隐形引力波

西弗吉尼亚大学引力波和宇宙学中心的一名研究人员正在揭示一个看不见的引力辐射宇宙，它扭曲了时空连续体。西弗吉尼亚大学埃伯利文理学院天文学助理教授埃马纽埃尔-丰塞卡（Emmanuel Fonseca）利用被称为"射电脉冲星"的恒星发出的精确定时信号来探测引力波。

这些引力波是恒星或黑洞等大质量天体加速时产生的，其中包含有关遥远星系中的现象和天体的信息，可以揭示中子星内部物质的行为方式。这项研究得到了美国国家科学基金会 41.6 万美元的资助。

"引力波渗透万物--太阳系、地球、我们--但直到过去五到八年，我们才能够探测到它们，"丰塞卡说。"引力波是了解宇宙的独特窗口，有别于光、X 射线、紫外线等电磁辐射。 这些形式的辐射是由带电粒子产生的，而引力波则是由物体在空间加速并扰动时空造成的。宇宙中所有双星系统中的超大质量黑洞都在向我们发射引力波。 这些信号的影响总和是一种摇摆不定、看似随机的模式，被称为'引力波背景'。 随着这项研究提高了我们对该背景的敏感度，我们将对来自附近星系的引力波变得更加敏感。 一旦我们找到了当地的引力波源，我们就可以将电磁望远镜对准它们，开始对事物进行理解，那将会非常有趣。"

西弗吉尼亚大学天文学家埃马纽埃尔-丰塞卡（右二）利用绿岸和CHIME射电望远镜的数据寻找引力波。 图片来源：西弗吉尼亚大学照片/Brian Persinger

爱因斯坦在 1916 年提出了引力波理论，但直到去年春天，国际研究合作组织 NANOGrav 才宣布了引力波存在的明确证据。

"NANOGrav是一个由包括我在内的研究人员组成的团队，他们一直在利用波卡洪塔斯县绿岸望远镜的数据来探测引力波，"丰塞卡说。"多年来，我们一直在努力寻找引力波的证据。 现在突然间，我们不仅能探测到它们，还能理解它们。"

西弗吉尼亚大学埃伯利文理学院物理与天文学系助理教授 Emmanuel Fonseca。 图片来源：西弗吉尼亚大学照片/Brian Persinger

这项研究将把绿岸望远镜的数据与丰塞卡帮助建造的加拿大CHIME射电望远镜的数据合并。 这两个天文台以不同的间隔和频率记录类似的信息。

"结合数据意味着我们可以实现对每个波浪的全面覆盖。 我们可以'看到'从一个波谷，越过波峰，再到下一个波谷，"他说。引力波可以跨越星系。 引力波存在于低频频谱中，因此从射电望远镜记录到引力波的第一个峰值到第二个峰值之间，可能要经过一两年的时间。 随着引力波的振荡，它们在宇宙中激起涟漪，遇到的任何物体都会在时间和空间上发生轻微的位移。

脉冲星--一对旋转的中子星--让天文学家得以探测引力波。 脉冲星会发出无线电脉冲，以精确、可预测的间隔到达地球。

丰塞卡说："我们把脉冲星当作探测器，当作远方的灯塔。当我们在脉冲星阵列中看到影响定时的相关偏差时，这就是引力波影响地球的迹象。 出现偏差是因为引力辐射穿过了我们，缩小并挤压了我们的观测站和仪器。"

利用脉冲星作为探测器，需要尽可能多地了解脉冲星本身以及像"闪烁"这样的现象，即恒星的闪烁，它会影响脉冲星在飞向地球过程中的信号。

"闪烁似乎是随机的，天文学家历来认为它是一种干扰。但我相信，它编码的信息可以改进引力波探测。"

丰塞卡强调了绿岸望远镜和CHIME脉冲星数据的整合，这意味着天文学家将了解到的不仅仅是引力波--他们还能计算出中子星的质量。

"计算质量在天文学中是一件罕见而困难的事情。 我们没有天平来测量恒星的重量。 但我们现在有办法从这些信号中提取出非常精确的引力信息，让我们能够测量中子星的质量，进而告诉我们它们内部发生了什么，"他说。

脉冲星是一颗旋转的中子星，是"我们目前所能观测到的最极端的环境"。 它的环境与黑洞类似，但由于其引力没有那么极端，我们可以从技术上了解它们内部发生了什么。

J-罗伯特-奥本海默是最著名的'原子弹之父'，但他也是最早对中子星的行为提出疑问的人之一，比如核物理如何在如此极端的重力下工作，或者那里可能存在哪种物质。 那是将近一百年前的事情了，而我们只是在最近五年才开始通过 NANOGrav 数据发现一些耐人寻味的线索。

与丰塞卡一起工作的还有西弗吉尼亚大学的研究生研究助理、来自印度浦那的斯瓦拉利-帕蒂尔和来自芝加哥的马修-巴特尼克。

编译自/SciTechDaily