罕见的“苏醒的”脉冲星可能是最终的引力波探测器

一位对脉冲业内者对脉冲星的描绘。

(图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心)

保罗·M·萨特是纽约州立大学石溪分校和熨斗研究所的天体物理学家，《问宇航员》和《太空广播》的主持人，《在太空中死亡》的作者。

天文学家希望利用散布在银河周围的脉冲星作为巨大的引力波探测器。我们又为什么需要它们，如何利用它们工作的呢?

引力波，或时空结构中的微澜，各种来源，不断地在宇宙中晃动。现在，当一波又一波穿过你的身体时，你正受到轻微的拉伸和挤压。这些波来自合并的黑洞、巨大恒星的爆炸，甚至是大爆炸的初期。

在地球上，我们已经开发出非常灵敏的引力波探测器，能够感知短暂但响亮的事件，比如黑洞合并，这种事件只持续几秒钟，但会产生如此巨大的信号，我们得以探测到。 (“巨大”在这里是一个相对的词;由通过的波引起的畸变小于原子核的宽度。)

地面探测器发现低频引力波的难度在低频引力波需要数周、数月甚至数年才能穿过地球。并且它来自大黑洞的合并，它们比小黑洞合并的时间要长得多。探测器从灵敏度、长时间跨度内测量微小的差异未具备条件。为此，需要一个更大的探测器。

我们利用遥远的脉冲星来协助测量引力波，而不是使用地面上的仪器。这就是所谓脉冲星定时阵列背后的想法。

为脉冲星供电

脉冲星是神奇的物体，尤其是用作引力波探测器的脉冲星。

脉冲星是巨星残留物，是宇宙中已知的最奇异的天体之一。它们是几乎完全由中子制成的超密度球，其中有一些电子和质子。电荷旋转会产生难以置信的强磁场——在某些情况下，是宇宙中最强大的磁场。

强磁场也会产生强电场。它们一起为从磁极向各个方向发射的辐射束提供能量（如果你在这里感受到死星的振动，你就不远了）。这些磁极并不总是与脉冲星的旋转轴对齐，就像地球的南北磁极不与我们星球的旋转轴一致同理。

这迫使辐射束在天空中扫出圆圈。当这些光束穿过地球时，我们看到了无线电发射的周期性闪光，将“脉冲”放入“脉冲星”中。

脉冲星非常有规律。它们重、旋转快，我们用它们的闪光作为极其精确的时钟。但大多数脉冲星容易受到随机星震(当恒星的内容物四处移动，干扰脉冲星的旋转)、故障和减速的影响，以至改变它们的规律性。大多数脉冲星都不适合应用于引力波研究。

计时阵列依赖于脉冲星的一个子集，即毫秒脉冲星，顾名思义，它的旋转周期为几毫秒。天文学家认为，毫秒脉冲星是“苏醒的”脉冲星，在伴星坠落的物质加速后，它们的旋转速度达到了令人难以置信的速度，就像大人推着孩子上学校里的旋转木马一样。由于毫秒脉冲星的速度惊人，它们可以在很长的时间尺度内保持同等精度。例如，脉冲星PSR B1937+21的旋转周期为1.5578064688197945 +/- 0.0000000000000004秒。这和我们最好的原子钟的精度是一样的。而这些毫秒脉冲星无疑是完美的引力波探测器。

阵列定时

以下是它的工作原理。首先，天文学家观察尽可能多的毫秒脉冲星的自转周期。如果引力波经过地球、脉冲星甚至我们之间，它同时将改变地球和脉冲星之间的距离。随着波的移动，脉冲星的距离也会时远时近，以此类推，直到波继续移动。

在我们看来，距离的变化将表现为旋转周期的变化。脉冲星的一道闪光可能来得有点太早；那么另一个可能会来得有点晚。一个典型的引力波，时间的变化非常微小，每几个月才10或20纳秒。但对毫秒脉冲星的测量已经足够灵敏，至少理论上可以检测到这些变化。

“脉冲星计时阵列”的“阵列”部分来自于同时研究许多脉冲星并寻找相关运动：如果引力波经过空间的一个区域，那么该方向的所有脉冲星的计时一致。几十年来，世界各地的许多合作单位都使用射电望远镜研究脉冲星定时阵列。到目前为止，他们的成功很有限，发现了各种脉冲星的时间变化，但没有发现相关性的迹象。每年，技术都在进步，希望很快，这些阵列就能解开宇宙引力波的大部分。

BY:Paul Sutter

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