介绍

你可能听说过这个短语:“上升,必须降下来。“但这是为什么呢?这是因为一切(你、我、火箭、雨滴)是被引力拉向地球。拉的力量更强更大的对象但对对象远变弱。火箭只能逃离地球引力的拉力通过燃烧大量的燃料来创建一个向上的“推”力强于重力的“拉”。

令人惊奇的是,重力不是特殊的地球;宇宙中所有对象感到同样的重力,拥有明星,太阳能系统,和星系在一起。甚至在100年前,天文学家知道如何预测太阳系中的对象应该出现在夜空。但他们不知道重力是什么。这是当爱因斯坦有非常重要理念:我们所说的重力并不是真正的“拉力”像一根绳子。在爱因斯坦的理论中,空间更像是一个有弹性的毯子比硬表;每个对象有蘸这毯子,但更大的对象使更大的下降。因此,一个像太阳这样的恒星大幅贬值,和地球更小的下降(见图1)。移动得慢的地球是它向太阳倾斜在下降,但也足够快,它不立即螺旋:这就是所谓的一个轨道。

引力波

因为空间比硬表更像一条毯子,它可以挤压和拉伸波。你能想到的站在一个圆圈和一群朋友,每人举着一个圆毯的一部分。如果你的朋友的对面毯子上下摇动他们的一部分,那么你的一部分也会动摇。即使你的毯子似乎动摇的同时,你的朋友,用了一个小波到达的时间。同样的事情也发生在空间,除了空间是非常僵硬,所以需要巨大的对象做一个大浪。如果有两个物体相互移动在一个轨道,就必然能晃动空间足够,他们兴风作浪。这些波被称为引力波,他们以光速移动。

重力波的旅行,它伸展和挤压空间。但这拉伸和挤压沿着波的方向不会发生移动。相反,拉伸和挤压发生垂直于重力波的方向移动(见图2)。科学家最近使用专用设备构建大实验,足够敏感测量拉伸和挤压,等LIGO(1),处女座(2]。但是,正如上面提到的,空间是非常激烈的,所以我们仍然可以只测量电波从特殊的致密天体类型非常接近。这些对象被称为中子星和黑洞。

中子星和黑洞

像火箭,明星需要燃烧大量的燃料来创建一个向外推,阻止重力坍塌恒星。当一颗恒星耗尽燃料,它开始向内崩溃,但可以从全面崩溃两次自救。第一次是当恒星内部的原子不能被挤压任何靠近。这节省了明星一会儿,但如果恒星足够大,那么引力是那样的强烈,以至于它挤压所有的原子聚集在一起。生存的最后机会这颗恒星重力崩溃是原子的微小构件时,被称为中子,阻止自己被挤在一起。这就产生了所谓的中子星。中子星物质的包装如此紧密地捆绑在一起,一匙将重摩天大楼!最后,如果我们有一个非常巨大的恒星,然后连中子抵抗挤压可以停止全面崩溃。恒星的全面崩溃使得一个黑洞。黑洞并非由物质构成; they are made of gravity itself, creating a dip in the fabric of space that is so deep that not even light can escape its pull; this is why they are called “black” holes.

测量宇宙中最大的黑洞

有时黑洞可以配对在一起,轨道(见图3)。当两个黑洞的轨道非常接近,它们能发出引力波。一组科学家NANOGrav(北美Nanohertz引力波天文台)(3)一直在寻找对发出的引力波的宇宙中最大的黑洞。这些黑洞只能十亿个太阳一样巨大,发现巨型星系的中心。在宇宙的历史,星系相撞在一起,把更大的星系。在这些碰撞,星系中心的黑洞配对,发出引力波,一段(每一波高峰之间的时间)几年几十年。由于黑洞本身不发光,只与引力波探测方式。测量重力波是一个全新的方式观察宇宙和这些测量会告诉我们更多关于万有引力的本质。

脉冲星计时数组

NANOGrav寻找引力波使用一个叫做pulsar-timing阵列(家长会)[4]。脉冲星是一种特殊的中子星,旋转周围很快(每秒钟尽快数百倍)和射束无线电波(见左侧图4)。每当一个脉冲星旋转,它射束无线电波向地球,我们测量脉冲无线电”。“这就像一个灯塔,它总是闪亮的光在晚上的时间,但是我们只能看到周围的光波动时,面对我们。脉冲星是非常可靠;我们可以非常准确地预测无线电脉冲何时到达地球。这意味着我们可以使用脉冲星像一个秒表,我们标记时间的流逝无线电脉冲的数量已经从脉冲星观测。脉冲星是伟大的秒表,多年来保持可靠。

如果重力波穿过地球与一颗脉冲星之间的空间,它会伸展和挤压的空间。如果空间延伸,它将需要更长的时间比预期的无线电波束到达我们;脉冲会迟到!相反如果空间受到挤压,因为无线电脉冲将早于预期到达。我们可以减去无线电脉冲时的预测应该从实际观察到,看看有什么不同。这种差异可能是由于引力波!NANOGrav(和其他球队在欧洲,澳大利亚,印度,南非,和中国)已经使用射电望远镜观察大量的脉冲星产生很大的“净”,可以赶上引力波。

NANOGrav的新发现

在NANOGrav最近的狩猎5),我们的净34的脉冲星被天文学家看到每隔几个星期过去11年。我们没有发现任何引力波,但我们也知道我们的信号需要很长时间才能伸出上面所有的噪音和奇怪的东西会影响脉冲星。虽然我们还没有检测到任何东西,我们认为这只会是另一个3年,或者最多7年,之前我们做的6]。我们可能还没有看到任何波,但这没有波浪使得我们证明预测由其他科学家们认为我们应该看到的东西了。我们的数据将有助于科学家修改和更新他们的预测。我们获得的结果也帮助我们理解宇宙中巨大的黑洞合并在一起多久。我们还发现引力波和1年的时期导致拉伸和挤压空间非常、非常tiny-so小,他们造成的改变地球的大小只有10倍人类DNA链的宽度(见图5)!

未来

我们期望未来的引力波天文学非常激动人心,让我们窥视其他望远镜不能看到宇宙的部分。引力波的探测pulsar-timing数组在不久的将来将是一个巨大的发现。在NANOGrav,我们正在检查其他类型的本净的脉冲星和引力波将报告他们在未来一年。我们也在不断地寻找新的脉冲星填补我们的网络,这样我们能更好地发现引力波。我们的结果迄今为止迷人,我们正准备一天很快当我们可以告诉世界,我们看到了引力波从整个宇宙中最大的黑洞!

资金

圣是由NANOGrav物理学前沿中心,由美国国家科学基金会支持奖号1430284。绿色银行天文台是美国国家科学基金会的设施运营合作协议下相关大学、阿雷西博天文台Inc .是美国国家科学基金会的设施运营合作协议与杨中佛罗里达大学的联盟企业,公司和大学Metropolitana。

术语表

重力波:↑引起的连锁反应在时间和空间上加速巨大的物体。

LIGO:↑代表激光干涉引力波天文台。这是一双大的引力波探测器位于汉福德,华盛顿和利文斯顿,路易斯安那州。他们在2015年首次探测到引力波。

处女座:↑LIGO类似的引力波探测器,但位于意大利。

中子星:↑一个非常密集的对象时形成一个正常的恒星耗尽了燃料和崩溃在本身重力。崩溃是由中子的压力停止抵抗重力。

黑洞:↑当一个明星不能防止全面崩溃引起的重力,形成一个黑洞。这是一个密度无穷大的点。即使光线也无法逃脱。

NANOGrav:↑代表北美Nanohertz引力波天文台。这是一群科学家在美国和加拿大人使用正在寻找引力波。

家长会:↑代表脉冲星计时数组。脉冲星是一种特殊类型的旋转的中子星,发送无线电光束。当引力波走进我们的星系,它们导致到达时间的变化从脉冲星的无线电波束。我们看许多脉冲星确认这些变化是由于引力波而不是噪音。

利益冲突声明

作者说,这项研究是在没有进行任何商业或金融关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

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原始的文章

↑Arzoumanian, Z。贝克,p . T。火盆,。、Burke-Spolaor年代。Chamberlin, s . J。Chatterjee年代。,et al ., 2018年NANOGrav合作。。NANOGrav 11年数据集:pulsar-timing约束随机引力波背景。12,54。J。859:47。1538 - 4357 . doi: 10.3847 / / aabd3b

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引用

[1]↑LIGO。网上:https://www.ligo.caltech.edu/page/what-is-ligo

[2]↑处女座。网上:http://public.virgo-gw.eu/virgo-in-a-nutshell

[3]↑NANOGrav网站。网上:http://nanograv.org

[4]↑Lommen, a . n . 2015。脉冲星计时数组:引力波探测的承诺。众议员掠夺。理论物理。78:124901。0034 - 4885/78/12/124901 doi: 10.1088 /

[5]↑Arzoumanian, Z。贝克,p . T。火盆,。、Burke-Spolaor年代。Chamberlin, s . J。Chatterjee年代。,et al ., 2018年NANOGrav合作。。NANOGrav 11年数据集:pulsar-timing约束随机引力波背景。12,54。J。859:47。1538 - 4357 . doi: 10.3847 / / aabd3b

[6]↑泰勒,s R。Vallisneri, M。埃利斯,j . A。明加莱利副总司长,c . m . F。拉齐奥,t·j·W。,范Haasteren r . 2016。我们在那了吗?时间检测nanohertz引力波基于pulsar-timing数组的限制。12,54。j。819:16种。doi: 10.3847 / 2041 - 8205/819/1 / 16种