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    强!盖亚宇宙飞船可以作为引力波探测器

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      【博科园-科学科普】2016年2月激光干涉引力波天文台(LIGO)工作的科学家首次发现了引力波。从那时起有了多次探测,这在很大程度上要归功于仪器的改进和天文台之间更大程度的协作。展望未来,不是为这个目的而设计的项目任务也可能作为引力波探测器。

      强!盖亚宇宙飞船可以作为引力波探测器

      欧空局的盖亚任务目前正在进行一项为期五年的任务,以绘制银河系的星空图。图片版权:ESA / ATG medialab,背景:ESO / S.Brunier

      例如:盖亚宇宙飞船正忙于创建银河系最详细的三维地图——也可能在引力波研究中发挥作用(这是剑桥大学的一组天文学家最近宣称的)。根据他们的研究,盖亚卫星对研究超大质量黑洞合并产生的超低频引力波有必要的敏感性。

      这项研究的题目是“针对单个可分解的重力波源的天体测量方法”,最近发表在物理评论快报上。由剑桥大学数学科学中心的理论物理学家克里斯托弗·j·摩尔(Christopher j . Moore)领导的研究小组成员包括剑桥大学天文研究所、卡文迪什实验室和Kavli宇宙研究所。

      强!盖亚宇宙飞船可以作为引力波探测器

      两颗合并中子星的概念图,它们也是引力波的来源。图片版权:National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

      引力波(GWs)是由剧烈的天体事件产生的时空涟漪,如黑洞合并、中子星碰撞、甚至大爆炸。最初是由爱因斯坦的广义相对论预测,像LIGO和先进的室女座这样的观测站通过测量时空弯曲的方式来探测这些波,并通过对地球上的GWs的反应来测量。

      然而,通过GWs也会使地球在其位置上与恒星发生振动。因此,一个轨道空间望远镜(如盖亚),可以通过注意到遥远恒星的位置上的暂时位移来发现这一点。Gaia天文台在2013年发射,过去几年一直在对我们星系中恒星的位置进行高精度的观测(天体测量学)。

      在这方面,盖亚将寻找大量恒星的微小位移,以确定引力波是否穿过地球的邻域。为了研究盖亚是否胜任这项任务,摩尔和他的同事们进行了计算,以确定盖亚太空望远镜是否具有检测超低频GWs的必要灵敏度。

      为了达到这个目的,摩尔和他的同事们模拟了由两个超大质量黑洞产生的引力波,即两个互相环绕的黑洞。发现通过将数据集合压缩超过106(一次测量10万颗恒星而不是十亿次),GWs可以从Gaia数据中恢复,只有1%的灵敏度损失。

      强!盖亚宇宙飞船可以作为引力波探测器

      图中显示了盖亚探测的恒星磁场,红色和黑色的线指示了半球内恒星的表观运动。图片版权:Kavli Institute for Cosmology, Cambridge

      这种方法类似于脉冲星计时阵列中使用的一组毫秒脉冲星,以确定引力波是否改变了脉冲的频率。然而在这种情况下恒星被监测,以观察它们是否在以一种特有的模式振荡,而不是脉冲。通过一次观测10万颗恒星的磁场,研究人员将能够探测到诱导的表面运动(见上图)。

      正因为如此,Gaia数据的完整发布(计划在2020年之前)很可能是那些寻找GW信号的人的主要机会。摩尔在APS物理新闻发布会上解释道:盖亚将首次对这种影响作一个现实的展望。许多因素导致了该方法的可行性,包括精确和长期的天体测量测量。盖亚将在5 – 10年内观察10亿颗恒星,并在这段时间内至少找出80颗恒星。观测这么多恒星是盖亚所提供的主要进步。

      Gaia – like天体测量和引力波,Gaia可以检测出在事件后的SMBHs年合并产生的GWs(引力波):引力波源天体测量检测在星系中心的超大质量双黑洞合并,双系统制超大质量黑洞是相对常见交互和合并的星系的典型进化。这种物体可以在空间天体测量的范围内给引力波提供频率和振幅。此外,这些天体的引力波在数年的观测期间,通常被认为具有几乎恒定的频率和振幅。

      强!盖亚宇宙飞船可以作为引力波探测器

      两个黑洞合并的印象图,已经被理论化成为引力波的来源。图片版权:Bohn, Throwe, Hébert, Henriksson, Bunandar, Taylor, Scheel/SXS

      但是,没有任何保证能够通过对盖亚数据的筛选来揭示额外的GW信号。首先这些超低频的情况下,即使是盖亚也无法探测到波。此外研究人员还必须能够分辨出宇宙飞船的方位变化导致的GWs和相互冲突的信号——这不是一项简单的挑战!

      尽管如此,还是有希望像盖亚这样的任务能够显示出GWs信号(引力波信号),这对于像LIGO和先进的处女座这样的地面干涉探测器来说是不容易看到的。这种探测器受到大气效应(如折射)的影响,这种效应阻止了它们看到极低的频率波——例如,在大爆炸的膨胀时期产生的原始波。

      从这个意义上说,引力波研究与系外行星研究和其他许多天文学分支不一样。为了找到隐藏的宝石,天文台可能需要采取空间来消除大气干扰,增加它们的灵敏度。这是有可能的,其他的太空望远镜将被改造成GW的研究,并且下一代的GW探测器将安装在飞船上。

      在过去的几年里,科学家们已经从首次发现引力波到开发新的更好的探测方法。按照这个速度,不久天文学家和宇宙学家就能将引力波纳入我们的宇宙模型。换句话说,GWs将能够显示这些波在宇宙历史和演化过程中所起的影响。全文注:引力波(GW/GWs)


      • 知识:科学无国界,博科园-科学科普

      • 参考:Kavli宇宙论研究所,APS物理,物理评论快报

      • 作者:Matt Williams

      • 内容:“博科园”判定符合今主流科学

      • 来自:Universe Today

      • 编译:中子星

      • 审校:博科园

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