引力波论文发表

LIGO探测到的引力波，频率在几十赫兹到几百赫兹，属于高频引力波。而NANOGrav寻找的引力波信号，频率为纳赫兹，波长跨越几个光年的尺度，属于低频引力波。 张承民 中国科学院国家天文台研究员 1月11日，据国外媒体报道，北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）宣称，其发现了一个可能来源于低频引力波的信号特征，如果被证实，这将是引力波天文学的又一大里程碑。 NANOGrav发现的信号来自遥远的脉冲星。这些脉冲星是快速旋转的致密天体，它的两极发出的光束犹如宇宙中的灯塔一般掠过地球。研究人员利用射电望远镜收集了可能由引力波产生的信号数据，相关研究结果发表于《天体物理学快报》。 找到脉冲星信号时间差 “数据中出现的信号令人难以置信却又兴奋。”上述研究首席研究员约瑟夫·西蒙说。 2015年以来，科学家已利用激光干涉仪引力波天文台（LIGO）和欧洲室女座引力波天文台（Virgo）多次探测到引力波信号。疑似低频引力波信号的现身，为何依然令人如此激动？ “LIGO探测到的引力波，频率在几十赫兹到几百赫兹，属于高频引力波。而NANOGrav寻找的引力波信号，频率为纳赫兹，波长跨越几个光年的尺度，属于低频引力波。”张承民表示，从频率来看，两者相差十多个量级。 张承民介绍，探测纳赫兹引力波信号对于研究早期宇宙 历史 、验证大爆炸理论、获得超大质量黑洞碰撞并合信息、研究星系合并以及进一步研究宇宙各种引力波类型的性质等具有重要意义。 引力波被称为时空的涟漪。天文学家不能通过望远镜直接“看”到它，但可以通过测量其穿过时空时造成的影响——物体精确位置的微小变化，来寻找它。 NANOGrav选择的研究对象是脉冲星信号。脉冲星是一种我们能探测到的、可靠的宇宙计时器。这些小而稠密的致密天体快速旋转，以精确的时间间隔发出射电波脉冲。 而引力波则会对这种规律性造成干扰，因为引力波产生的时空涟漪会使时空产生微小的拉伸和收缩。这些时空涟漪会导致脉冲星信号到达地球的实际时间与预期时间之间出现极小的偏差。 NANOGrav就是通过研究散布在银河系中许多毫秒脉冲星发出的规律信号的时间特征，即所谓的脉冲星计时阵列，来探测由于引力波拉伸和收缩时空而引起的时间微小变化，进而获得引力波存在的线索。 被选中的星可谓百里挑一 据介绍，NANOGrav通过研究47颗旋转最稳定的毫秒脉冲星创建了脉冲星计时阵列。 为何是这47颗脉冲星？ 因为，并非所有的脉冲星都能用来探测这种低频引力波信号，只有旋转最稳定、被研究时间较长的脉冲星才能实现探测需求。这些脉冲星每秒旋转数百次，具有难以置信的稳定性，如此才能保证探测引力波所需的精度。 “目前，天文学家已发现3000多颗射电脉冲星。普通脉冲星的稳定性不够，但毫秒脉冲星的稳定性非常高，高到几亿年甚至几十亿年才会慢一秒，所以可以利用毫秒脉冲星进行高精度测量。”张承民解释道，目前发现的毫秒脉冲星数量在400颗左右，天文学家会进一步从中挑出非常稳定的脉冲星作为观测对象，这47颗毫秒脉冲星便来源于此。 NANOGrav表示，在其所研究的47颗脉冲星中，有45颗拥有至少3年的数据集用于分析。在此次研究中，研究人员在这些数据集中发现了一种低频噪声特征，这种特征在多个脉冲星上都是相同的。他们所发现的时间变化如此之小，以至于在研究任何单个脉冲星时，证据都不明显。但作为整体时，这些不明显的证据便意味着一个重要的信号特征。 “脉冲星的运动互相之间本来并没有相关性，但引力波穿过银河系会使它们的运动出现一种相关性或规律性。这项研究是希望把各种噪声排除，把这种规律运动的信息寻找出来，从而找出低频引力波信号。”张承民说。 得到确切结论还需几年 NANOGrav声称，新发现的信号特征已排除一些引力波以外的来源，比如来自太阳系物质的干扰或者数据收集中的某些错误等。 为了验证这一疑似低频引力波信号，研究人员必须在不同脉冲星数据之间找到一种独一无二的相关性——两颗脉冲星数据的关联程度和它们相对地球的天空方位有关。但由于信号太弱，目前还没有发现这种相关性的显著证据，增强信号则需要NANOGrav扩展它的数据集，以包括数量更多、研究时间更长的脉冲星，这就需要增加望远镜阵列的灵敏度。此外，通过将NANOGrav的数据与其他脉冲星计时阵列实验的数据汇集在一起，开展国际脉冲星计时阵列（IPTA）合作计划可能会有助于揭示这种特殊的相关性。 目前，NANOGrav正在开发新的技术，以确保检测到的信号并非来自其他来源。 他们正在建立一种计算机模型，帮助检测信号是否是由引力波以外的效应引起，以避免错误判断。 “用脉冲星计时阵列探测引力波需要耐心。我们正在分析十几年的数据，但得到确切的结论可能还需要几年的时间。”NANOGrav现任主席斯科特·兰森说。 需要更多大型望远镜的加入 这个信号是否真的来源于低频引力波？张承民认为：“目前的研究结果还处于初步阶段，暂时不能盖棺定论。” “这项研究实际上是分析了40多颗毫秒脉冲星的观测数据，是数据处理的结果。计时数据处理方法、毫秒脉冲星的选择对研究结果会产生巨大的影响。要证实确实是低频引力波信号，还需要进一步验证。”张承民说。 张承民介绍，除了北美，目前澳大利亚、欧洲都有望远镜对毫秒脉冲星进行监测。通过全球其他射电望远镜的加入，为研究团队提供更多优质数据，未来是有可能对这项发现进行进一步验证的。 不过也有个不好的消息， 在整个研究过程中，NANOGrav利用了美国绿岸射电望远镜和阿雷西博望远镜的观测数据。而305米口径的阿雷西博望远镜最近却垮塌了。 NANOGrav表示，研究团队将寻求其他数据来源，并加强与国际同行的合作。但失去阿雷西博望远镜，还是会对NANOGrav在未来描述这种背景噪声并探测引力波信号造成影响。 “阿雷西博望远镜的精度比较高，它的垮塌使新的数据积累受到影响，加大了验证的难度。未来，研究团队需要联合其他望远镜进行观测，对这项发现进行进一步检验。”张承民说。

2015年9月14日，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）第一次在双黑洞并合的过程中探测到引力波信号，这标志着人类 探索 宇宙奥秘打开了一个非常有用的新窗口。由于地面震动干扰，地面引力波探测器只能探测高频引力波（10赫兹以上）信号。下一代的空间引力波探测器如欧空局主导的激光干涉空间天线（LISA）项目、我国提出的太极计划或者天琴计划等可以探测毫赫兹到一赫兹波段的引力波。这一频段的引力波蕴含着丰富的科学内容。这些空间引力波探测器的科学目标包括超大质量黑洞并合、极端质量比黑洞对、随机引力波背景等。其中，诞生于早期宇宙的随机引力波是保存了早期宇宙信息的“化石”，对理解早期宇宙的演化具有重要的科学意义。 当前的天文学和宇宙学观测告诉我们宇宙中有27%的物质组分是不发光的“暗物质”。其起源和性质是现代宇宙学和理论物理的一大挑战。一种可能的解释是极早期宇宙小尺度上的原初密度扰动很大，重新进入视界时形成了原初黑洞，而暗物质正是由这些原初黑洞组成的。质量小于10 16 克的原初黑洞由于霍金辐射已经蒸发殆尽，无法作为暗物质候选者。远大于太阳质量（10 33 克）的原初黑洞则会影响宇宙微波背景辐射，不能大量存在。10 22 克到太阳质量的原初黑洞在银河系的暗物质晕里运动并挡住遥远恒星时，可以产生引力透镜效应。人们可以通过寻找这种引力透镜来限制原初黑洞的能量密度。然而，质量小于10 22 克的原初黑洞的半径为纳米量级，远小于可见光的波长。这么小的物体无法用上述的引力透镜效应观测到（见图1）。 引力波的发现打开了一扇观测这种原初黑洞的新窗口，因为导致原初黑洞形成的原初密度扰动也会产生引力波。在宇宙早期暴胀阶段中，虽然标量扰动和张量扰动在线性阶是独立的，但它们在非线性阶是耦合的。这种非线性耦合会使得标量扰动诱导出引力波。以这种机制产生的引力波称为诱导引力波。如果原初黑洞大量存在，则原初标量扰动必定很大，其诱导引力波也会很大，有可能被未来的引力波实验观测到。如前所述，原初黑洞作为暗物质候选的唯一可能的质量区间是10 17 克到10 22 克，其对应的诱导引力波频段是10 -3 赫兹到0.1赫兹，恰好在下一代空间引力波天文台LISA/太极/天琴的探测范围之内。 最近，中国科学院理论物理研究所研究员蔡荣根、日本东京大学国际高等研究所卡弗里数物连携宇宙研究机构博士皮石、教授佐佐木节研究了非高斯分布的小尺度原初密度扰动，并讨论了非高斯分布对原初黑洞形成以及对诱导引力波产生的影响。他们发现，非高斯的原初密度扰动会增强诱导引力波，同时也增大原初黑洞的形成率。如果假定暗物质全部由原初黑洞组成，即固定原初黑洞的能量密度为现在的暗物质密度，则增加非高斯性意味着必须压低原初密度扰动分布的功率谱。参见图2。这两种效应的综合效果会使得在固定原初黑洞的能量密度的条件下，增加原初密度扰动的非高斯性会压低诱导引力波的能量密度。有趣的是，他们发现持续增大非高斯性时，诱导引力波能量密度存在一个下界，而该下界在暗物质全部由原初黑洞组成的频段内（10 -3 赫兹到0.1赫兹）大于下一代空间引力波天文台的可探测精度（见图3）。这意味着如果暗物质全部由原初黑洞组成，人们一定能在LISA/太极/天琴中观测到其对应的诱导引力波信号。这结果不依赖于原初密度扰动的分布。反之，如果没有在LISA/太极/天琴中观测到这样的引力波信号，则原初黑洞不可能作为暗物质的唯一候选者。该研究工作最近发表于《物理评论快报》（ Phys. Rev. Lett. 122, 201101 (2019)）。相关研究成果对空间引力探测、理解暗物质性质和早期宇宙演化具有重要科学意义。

西澳大利亚大学的物理学家跟一个国际研究团队合作开创了一项能改进引力波探测器的新技术，该探测器是科学研究人员使用的最敏感的仪器之一。 这项新技术使世界上现有的引力波探测器能达到以前认为只有通过建造更大的探测器才能实现的灵敏度。

这篇发表在《Communications Physics》上的论文由西澳大学ARC引力波发现卓越中心(OzGrav)牵头，与ARC工程量子系统卓越中心、哥本哈根的尼尔斯-玻尔研究所和帕萨迪纳的加州理工学院合作。

来自西澳大学物理系的名誉教授David Blari指出，这项技术将被称为声子的声音振动量子粒子跟激光的光子合并在一起，从而创造出一种新型的放大技术，在这种技术中，合并的粒子来回循环数十亿次而不丢失。

Blair表示：“一百多年前，爱因斯坦证明了光是以小能量包的形式出现的，我们现在称之为光子。”

光子最复杂的应用之一是引力波探测器，它允许物理学家观察由宇宙碰撞引起的空间和时间的涟漪。

“在爱因斯坦预测光子两年后，他提出热和声音也是以能量包的形式出现，我们现在称之为声子，”Blair说道，“声子以其量子形式单独驾驭要棘手得多，因为它们通常被称为热背景的大量随机声子所淹没。”

据悉，Blair曾因其对首次探测引力波的贡献而被授予2020年著名的总理科学奖。

论文的第一作者Michael Page博士表示，诀窍是将声子和光子结合在一起，使广泛的引力波频率可以同时放大。

“这项新突破将让物理学家观察到已知宇宙中最极端和最集中的物质，因为它坍缩成一个黑洞，当两颗中子星相撞时就会发生这种情况，”Page博士说道。

Blair表示，这些波形听起来就像一个简短的尖叫声，由于其音调太高，所以目前的探测器无法听到。

“我们的技术将使这些波形清晰可闻，并且还将揭示中子星中的中子在这种极端状态下是否会被分裂成被称为夸克的成分。看到核物质变成黑洞最令人兴奋的是，这个过程就像创造宇宙的大爆炸的反面。观察这种情况的发生就像观看一部向后播放的大爆炸电影。”

Blair表示，虽然该技术并不代表改进引力波探测器的即时解决方案，但它提供了一条低成本的改进途径。