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一位對脈沖業(yè)內(nèi)者對脈沖星的描繪。

(圖片來源:宇航局戈達德太空飛行中心)

保羅·M·薩特是紐約州立大學(xué)石溪分校和熨斗研究所的天體物理學(xué)家，《問宇航員》和《太空廣播》的主持人，《在太空中死亡》的作者。

天文學(xué)家希望利用散布在銀河周圍的脈沖星作為巨大的引力波探測器。我們?yōu)槭裁葱枰鼈?，又如何利用它們工作?

引力波，或時空結(jié)構(gòu)中的微瀾，各種來源不斷地在宇宙中晃動。現(xiàn)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。這些波來自合并的黑洞、巨大恒星的爆炸，甚至是大爆炸的初期。

在地球上，我們已經(jīng)開發(fā)出非常靈敏的引力波探測器，能夠感知短暫但響亮的事件，比如黑洞合并，這種事件只持續(xù)幾秒鐘，但會產(chǎn)生如此巨大的信號，我們得以探測到。 (“巨大”在這里是一個相對的詞;由通過的波引起的畸變小于原子核的寬度。)

地面探測器發(fā)現(xiàn)低頻引力波的難度，在于低頻引力波需要數(shù)周、數(shù)月甚至數(shù)年才能穿過地球。并且它來自大黑洞的合并，它們比小黑洞合并的時間要長得多。探測器從靈敏度、長時間跨度內(nèi)測量微小的差異未具備條件。為此，需要一個更大的探測器。

我們利用遙遠的脈沖星來協(xié)助測量引力波，而不是使用地面上的儀器。這就是所謂脈沖星定時陣列背后的想法。

為脈沖星供電

脈沖星是神奇的物體，尤其是用作引力波探測器的脈沖星。

脈沖星是巨星殘留物，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制成的超密度球，其中有一些電子和質(zhì)子。電荷旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)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(chǎn)生強電場。它們一起為從磁極向各個方向發(fā)射的輻射束提供能量（如果你在這里感受到死星的振動，你就不遠了）。這些磁極并不總是與脈沖星的旋轉(zhuǎn)軸對齊，就像地球的南北磁極不與我們星球的旋轉(zhuǎn)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(fā)射的周期性閃光，將“脈沖”放入“脈沖星”中。

脈沖星非常有規(guī)律。它們重、旋轉(zhuǎn)快，我們用它們的閃光作為極其精確的時鐘。但大多數(shù)脈沖星容易受到隨機星震(當恒星的內(nèi)容物四處移動，干擾脈沖星的旋轉(zhuǎn))、故障和減速的影響，以至改變它們的規(guī)律性。大多數(shù)脈沖星都不適合應(yīng)用于引力波研究。

計時陣列依賴于脈沖星的一個子集，即毫秒脈沖星，顧名思義，它的旋轉(zhuǎn)周期為幾毫秒。天文學(xué)家認為，毫秒脈沖星是“蘇醒的”脈沖星，在伴星墜落的物質(zhì)加速后，它們的旋轉(zhuǎn)速度達到了令人難以置信的速度，就像大人推著孩子上學(xué)校里的旋轉(zhuǎn)木馬一樣。由于毫秒脈沖星的速度驚人，它們可以在很長的時間尺度內(nèi)保持同等精度。例如，脈沖星PSR B1937+21的旋轉(zhuǎn)周期為1.5578064688197945 +/- 0.0000000000000004秒。這和我們最好的原子鐘的精度是一樣的。而這些毫秒脈沖星無疑是完美的引力波探測器。

陣列定時

以下是它的工作原理。首先，天文學(xué)家觀察盡可能多的毫秒脈沖星的自轉(zhuǎn)周期。如果引力波經(jīng)過地球、脈沖星甚至我們之間，它同時將改變地球和脈沖星之間的距離。隨著波的移動，脈沖星的距離也會時遠時近，以此類推，直到波繼續(xù)移動。

在我們看來，距離的變化將表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)周期的變化。脈沖星的一道閃光可能來得有點太早；那么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。但對毫秒脈沖星的測量已經(jīng)足夠靈敏，至少理論上可以檢測到這些變化。

“脈沖星計時陣列”的“陣列”部分來自于同時研究許多脈沖星并尋找相關(guān)運動：如果引力波經(jīng)過空間的一個區(qū)域，那么該方向的所有脈沖星的計時一致。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沖星定時陣列。到目前為止，他們的成功很有限，發(fā)現(xiàn)了各種脈沖星的時間變化，但沒有發(fā)現(xiàn)相關(guān)性的跡象。每年，技術(shù)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。

BY:Paul Sutter

FY:jane

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