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翻譯： 華子乾
校譯：陳艷玲 田程偲 汪榮鑫 陸寅楓
編排：陶邦惠
原文鏈接：
https://astrobites.org/2019/02/21/searching-for-gravitational-waves-from-binary-supermassive-black-holes-with-cosmic-lighthouses/
當(dāng)人們提到引力波探測(cè)時(shí)，他們通常會(huì)想到LIGO，一個(gè)巨大的干涉儀，成功地探測(cè)到了多次來(lái)源于雙黑洞和雙中子星合并的引力波。但是，還有另外一個(gè)全球性組織也致力于通過(guò)別的途徑探測(cè)引力波。
NANOGrav，也就是北美納赫茲引力波天文臺(tái)，是使用世界上對(duì)使用大質(zhì)量中子星（就像宇宙中的燈塔）輻射到達(dá)時(shí)間來(lái)探測(cè)引力波的全球范圍嘗試的一部分。
什么是脈沖星？
人們?cè)趺赐ㄟ^(guò)脈沖星探測(cè)引力波？
脈沖星是大質(zhì)量的、旋轉(zhuǎn)的中子星，它們發(fā)出的輻射像燈塔一樣掃過(guò)我們的視線(xiàn)方向。脈沖星的自轉(zhuǎn)十分的穩(wěn)定，周期從幾毫秒到十幾秒不等。毫秒脈沖星，也就是自轉(zhuǎn)周期在幾毫秒左右的脈沖星，自轉(zhuǎn)周期尤為穩(wěn)定，準(zhǔn)確度甚至可以與原子鐘相媲美。因此，NANOGrav對(duì)這些自轉(zhuǎn)極快的脈沖星十分感興趣。他們對(duì)脈沖星“計(jì)時(shí)”，通過(guò)多次觀測(cè)來(lái)確定脈沖星脈沖具體的頻率。
單個(gè)脈沖星的脈沖到達(dá)時(shí)間（TOA）被定期記錄并整合為一個(gè)大的數(shù)據(jù)集。如果引力波恰好從我們與某一顆脈沖星之間經(jīng)過(guò)，脈沖到達(dá)的時(shí)間就會(huì)輕微的變化。比如恰好有一束引力波向我們傳來(lái)，這會(huì)讓我們更早一些看到脈沖星的脈沖。
天文學(xué)家們建立了復(fù)雜的時(shí)間模型來(lái)預(yù)測(cè)/描述脈沖到達(dá)的時(shí)間。同時(shí)這些模型也考慮了其他因素，例如天體的自行，星際介質(zhì)導(dǎo)致的延遲，脈沖星本身的公轉(zhuǎn)周期等等。在收集了全天脈沖星年復(fù)一年的數(shù)據(jù)后，NANOGrav可以通過(guò)研究脈沖到達(dá)時(shí)間來(lái)尋找引力波。
這樣探測(cè)引力波與LIGO使用的方法有何不同？
LIGO和脈沖星時(shí)間陣列（PTA）的主要區(qū)別在于它們探測(cè)的是不同的引力波源。如圖1所示，LIGO主要探測(cè)來(lái)自中子星、黑洞合并產(chǎn)生的引力波，頻率在幾百赫茲左右。脈沖星時(shí)間陣列主要探測(cè)的則是完全不同頻率的引力波（納赫茲量級(jí)，也就是10^-8Hz）。這一頻率的引力波主要來(lái)自于雙超大質(zhì)量黑洞及其合并，以及原初引力波（產(chǎn)生于宇宙早期的引力波，可能來(lái)自暴脹）。
圖1:不同儀器可以觀測(cè)的不同頻率范圍。
NANOGrav使用了西弗吉尼亞州的綠岸望遠(yuǎn)鏡（Green Bank Telescope）和波多黎各島的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡（Arecibo Telescope）來(lái)觀測(cè)毫秒脈沖星（有時(shí)也使用了新墨西哥州的甚大天線(xiàn)陣列（Very Large Array）來(lái)進(jìn)行觀測(cè)）。
在此期間，有新的脈沖星被發(fā)現(xiàn)并被添加入數(shù)據(jù)集，也有周期并不準(zhǔn)確的脈沖星被去除。NANOGrav這一次使用的數(shù)據(jù)集包含了2004年到2015年之間用綠岸望遠(yuǎn)鏡和阿雷西博望遠(yuǎn)鏡對(duì)45顆脈沖星的觀測(cè)。
阿雷西博望遠(yuǎn)鏡：阿雷西博望遠(yuǎn)鏡建設(shè)于20世紀(jì)60年代，曾經(jīng)是全世界最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡（最近被我國(guó)的FAST超過(guò)，兩者相同的是反射面均不可轉(zhuǎn)動(dòng)），口徑305米，后來(lái)被拓展為350米。阿雷西博作為一臺(tái)巨大的射電望遠(yuǎn)鏡，特點(diǎn)是其巨大的饋源倉(cāng)，重達(dá)約500噸。在阿雷西博工作的幾十年中，其為天文學(xué)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。包括了發(fā)現(xiàn)首顆系外行星，認(rèn)證大量脈沖星系統(tǒng)，以及對(duì)雙中子星系統(tǒng)PSR191316的觀測(cè)（Hulse和Taylor研究了這個(gè)十分密近的雙星系統(tǒng)，再一次佐證了廣義相對(duì)論，也被授予1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）。
綠岸望遠(yuǎn)鏡：綠岸望遠(yuǎn)鏡曾隸屬于美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)。建成于2001年，也是當(dāng)今世界上最為先進(jìn)的一臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡。其口徑為110米，與阿雷西博望遠(yuǎn)鏡不同，綠岸望遠(yuǎn)鏡是一臺(tái)全可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡（也是目前人類(lèi)技術(shù)水平可以建造的最大的可動(dòng)望遠(yuǎn)鏡），也就是說(shuō)它可以主動(dòng)指向想要觀測(cè)的目標(biāo)。綠岸望遠(yuǎn)鏡使用了獨(dú)特的偏心設(shè)計(jì)，其反射面并非完全對(duì)稱(chēng)，這使得其饋源可以不位于反射面的正上方，也顯著的增加了望遠(yuǎn)鏡的有效口徑。綠岸望遠(yuǎn)鏡的表面精度十分的高，這也使得其可以勝任一部分毫米波的工作。
NANOGrav探測(cè)的下限是多少？
我們?nèi)绾潍@得下限？
如果你閱讀過(guò)引力波探測(cè)相關(guān)的材料，那你一定聽(tīng)說(shuō)過(guò)類(lèi)似“頻率”和“應(yīng)變”這樣的名詞。引力波的頻率就是每秒內(nèi)發(fā)生的引力波數(shù)量；引力波的振幅，通常用字母h表示，指的是當(dāng)引力波經(jīng)過(guò)兩物體之間時(shí)，兩物體間距離的相對(duì)變化。
通過(guò)在數(shù)據(jù)集中搜尋連續(xù)波（來(lái)自單個(gè)源的波，而非來(lái)自引力波背景），NANOGrav合作組估計(jì)在8納赫茲時(shí)，在最靈敏的天區(qū)能夠探測(cè)到應(yīng)變?yōu)?7.3 ± 3 x 10^(-15) 的引力波。
圖2:數(shù)據(jù)集中所用不同脈沖星的位置。在脈沖星更多的天區(qū)我們可以收集更多的數(shù)據(jù)，也就可以探測(cè)到更小的振幅。用紅圈標(biāo)出的是全天最靈敏的點(diǎn)。
可探測(cè)引力波的最小頻率可以通過(guò)對(duì)總觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)（11.4年）取倒數(shù)得到，也就是2.8納赫茲。最高頻率由對(duì)脈沖星觀測(cè)的采樣頻率決定。由于一些脈沖星每隔數(shù)周才會(huì)被觀測(cè)一次，NANOGrav團(tuán)隊(duì)可以得到的最高頻率是826.7納赫茲。通過(guò)搜集更多的數(shù)據(jù)，NANOGrav團(tuán)隊(duì)可以不斷地提高儀器靈敏度，探測(cè)到更加微弱的引力波。（如圖3）在分析了34顆脈沖星至少3年的觀測(cè)數(shù)據(jù)后，團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有在總長(zhǎng)為11年的數(shù)據(jù)集中發(fā)現(xiàn)引力波的痕跡。
圖3:隨著更多的數(shù)據(jù)被收集，我們可以發(fā)現(xiàn)越來(lái)越低的振幅。
NANOGrav在數(shù)據(jù)集中發(fā)現(xiàn)了什么？
通過(guò)能探測(cè)到的應(yīng)變上限，利用啁啾質(zhì)量和引力波頻率，就可以知道至少可以探測(cè)到距離多遠(yuǎn)的天體和引力波頻率給出距離的下限。
啁啾質(zhì)量：由雙星系統(tǒng)中兩個(gè)天體質(zhì)量確定的物理量，由于最初引力波發(fā)現(xiàn)后人們用聲波模擬了所探測(cè)引力波并命名這種聲音為啁啾聲（chirp），因此將一個(gè)由兩天體質(zhì)量確定的物理量稱(chēng)為啁啾質(zhì)量，啁啾質(zhì)量會(huì)確定引力波的波形。
在最靈敏的天區(qū)，我們發(fā)現(xiàn)在1.2億萬(wàn)秒差距的范圍內(nèi)，沒(méi)有啁啾質(zhì)量大于10^9太陽(yáng)質(zhì)量的雙超大質(zhì)量黑洞。而在55億秒差距的范圍內(nèi)，沒(méi)有啁啾質(zhì)量大于10^10太陽(yáng)質(zhì)量的雙超大質(zhì)量黑洞。我們也可以使用脈沖星時(shí)間陣列來(lái)理解引力波來(lái)自的區(qū)域。這十分有趣，因?yàn)橛性S多近鄰星系中存在雙超大質(zhì)量黑洞候選體。
使用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)集，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在室女座星系團(tuán)中不存在啁啾質(zhì)量大于1.6 x 10^9太陽(yáng)質(zhì)量的雙超大質(zhì)量黑洞發(fā)射頻率為9納赫茲的引力波。這也就說(shuō)明星系NGC4472，NGC4486，NGC4649中不存在能在這一頻率范圍內(nèi)發(fā)射引力波的雙超大質(zhì)量黑洞。所以，這一數(shù)據(jù)集并不僅僅告訴我們關(guān)于引力波的信息，而是同時(shí)具有天體物理方面的意義。
脈沖星時(shí)間陣列的未來(lái)如何？
NANOGrav正不斷優(yōu)化數(shù)據(jù)處理的過(guò)程。新的處理軟件，例如PINT（用于處理脈沖時(shí)間）和enterprise（用于引力波分析）正讓脈沖星時(shí)間陣列數(shù)據(jù)集的產(chǎn)生與分析變得更好。
世界各地的多個(gè)脈沖星時(shí)間陣列小組也正對(duì)脈沖星進(jìn)行觀測(cè)。這些小組，作為國(guó)際脈沖星時(shí)間陣列組織的一部分，正共同致力于建立最完整的脈沖到達(dá)時(shí)間集合。現(xiàn)有估計(jì)是在未來(lái)10年內(nèi)就會(huì)有來(lái)自連續(xù)波源的引力波被成功觀測(cè)到。
NANOGrav正處在引力波科學(xué)研究的最前沿，所以請(qǐng)持續(xù)關(guān)注NANOGrav的結(jié)果。
責(zé)任編輯：陳艷玲
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