西弗吉尼亞大學引力波和宇宙學中心的一名研究人員正在揭示一個看不見的引力輻射宇宙，它扭曲了時空連續體。西弗吉尼亞大學埃伯利文理學院天文學助理教授埃馬紐埃爾-豐塞卡（Emmanuel Fonseca）利用被稱為"射電脈沖星"的恒星發出的精确定時信号來探測引力波。
這些引力波是恒星或黑洞等大品質天體加速時産生的，其中包含有關遙遠星系中的現象和天體的資訊，可以揭示中子星内部物質的行為方式。這項研究得到了美國國家科學基金會 41.6 萬美元的資助。
"引力波滲透萬物--太陽系、地球、我們--但直到過去五到八年，我們才能夠探測到它們，"豐塞卡說。"引力波是了解宇宙的獨特視窗，有别于光、X 射線、紫外線等電磁輻射。 這些形式的輻射是由帶電粒子産生的，而引力波則是由物體在空間加速并擾動時空造成的。宇宙中所有雙星系統中的超大品質黑洞都在向我們發射引力波。 這些信号的影響總和是一種搖擺不定、看似随機的模式，被稱為'引力波背景'。 随着這項研究提高了我們對該背景的敏感度，我們将對來自附近星系的引力波變得更加敏感。 一旦我們找到了當地的引力波源，我們就可以将電磁望遠鏡對準它們，開始對事物進行了解，那将會非常有趣。"
西弗吉尼亞大學天文學家埃馬紐埃爾-豐塞卡（右二）利用綠岸和CHIME射電望遠鏡的資料尋找引力波。 圖檔來源：西弗吉尼亞大學照片/Brian Persinger
愛因斯坦在 1916 年提出了引力波理論，但直到去年春天，國際研究合作組織 NANOGrav 才宣布了引力波存在的明确證據。
"NANOGrav是一個由包括我在内的研究人員組成的團隊，他們一直在利用波卡洪塔斯縣綠岸望遠鏡的資料來探測引力波，"豐塞卡說。"多年來，我們一直在努力尋找引力波的證據。 現在突然間，我們不僅能探測到它們，還能了解它們。"
西弗吉尼亞大學埃伯利文理學院實體與天文學系助理教授 Emmanuel Fonseca。 圖檔來源：西弗吉尼亞大學照片/Brian Persinger
這項研究将把綠岸望遠鏡的資料與豐塞卡幫助建造的加拿大CHIME射電望遠鏡的資料合并。 這兩個天文台以不同的間隔和頻率記錄類似的資訊。
"結合資料意味着我們可以實作對每個波浪的全面覆寫。 我們可以'看到'從一個波谷，越過波峰，再到下一個波谷，"他說。引力波可以跨越星系。 引力波存在于低頻頻譜中，是以從射電望遠鏡記錄到引力波的第一個峰值到第二個峰值之間，可能要經過一兩年的時間。 随着引力波的振蕩，它們在宇宙中激起漣漪，遇到的任何物體都會在時間和空間上發生輕微的位移。
脈沖星--一對旋轉的中子星--讓天文學家得以探測引力波。 脈沖星會發出無線電脈沖，以精确、可預測的間隔到達地球。
豐塞卡說："我們把脈沖星當作探測器，當作遠方的燈塔。當我們在脈沖星陣列中看到影響定時的相關偏差時，這就是引力波影響地球的迹象。 出現偏差是因為引力輻射穿過了我們，縮小并擠壓了我們的觀測站和儀器。"
利用脈沖星作為探測器，需要盡可能多地了解脈沖星本身以及像"閃爍"這樣的現象，即恒星的閃爍，它會影響脈沖星在飛向地球過程中的信号。
"閃爍似乎是随機的，天文學家曆來認為它是一種幹擾。但我相信，它編碼的資訊可以改進引力波探測。"
豐塞卡強調了綠岸望遠鏡和CHIME脈沖星資料的整合，這意味着天文學家将了解到的不僅僅是引力波--他們還能計算出中子星的品質。
"計算品質在天文學中是一件罕見而困難的事情。 我們沒有天平來測量恒星的重量。 但我們現在有辦法從這些信号中提取出非常精确的引力資訊，讓我們能夠測量中子星的品質，進而告訴我們它們内部發生了什麼，"他說。
脈沖星是一顆旋轉的中子星，是"我們目前所能觀測到的最極端的環境"。 它的環境與黑洞類似，但由于其引力沒有那麼極端，我們可以從技術上了解它們内部發生了什麼。
J-羅伯特-奧本海默是最著名的'原子彈之父'，但他也是最早對中子星的行為提出疑問的人之一，比如核實體如何在如此極端的重力下工作，或者那裡可能存在哪種物質。 那是将近一百年前的事情了，而我們隻是在最近五年才開始通過 NANOGrav 資料發現一些耐人尋味的線索。
與豐塞卡一起工作的還有西弗吉尼亞大學的研究所學生研究助理、來自印度浦那的斯瓦拉利-帕蒂爾和來自芝加哥的馬修-巴特尼克。
編譯自/SciTechDaily