用脉冲星高精度的计时观测探测引力波

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广义相对论预测的引力波

1919年，爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在。在广义相对论中，引力被描述为时间空弯曲的几何效应，而物质和能量的分布导致时间空.弯曲

加速的物体会引起时间空曲率的扰动，这种扰动将以光速传播。这种现象被称为引力波(图1)。引力波可以在宇宙中不受阻碍地传播，携带其来源的保真度信息。

图1引力波图像，时间空的“涟漪”

引力波天文学时代的到来

图2两地ligo探测器观测到gw150914引力波信号

2015年9月14日，美国路易斯安那州和华盛顿州的激光干涉仪引力波观测站的两个探测器几乎同时捕捉到了引力波信号(图2)。这一事件被命名为gw150914，来自两个距离地球十亿光年的恒星黑洞的合并。

这是人类首次直接探测到引力波和黑洞之间的碰撞和融合过程。这一重要发现为观察宇宙打开了一扇新的窗口，这意味着引力波天文学的到来。

2017年8月17日，ligo探测到gw170817的引力波信号，并观测到电磁波的对应物。发现引力波来自两颗中子星的组合，从而首次实现了对天体引力波和电磁波的多信使观测。

目前，引力波探测的四个频段

理论研究表明，引力波的频率范围很宽，并且是由不同的引力波源贡献的。目前正在实施或规划的引力波探测项目主要集中在以下四个频段:

(1)高频(10-103赫兹)，探测器是以ligo为代表的地基激光干涉仪，重要的引力波源是稠密的双星(中子星和恒星黑洞)；

(2)低频(0.1-100 MHz)，探测器是以lisa为代表的空激光干涉仪，而重要的引力波源是一个巨大的双黑洞(104-107太阳质量)；

(3)甚低频(1-100毫微赫兹)，探测方法是用大口径射电望远镜对脉冲星进行高精度定时观测，重要的引力波源是超大质量黑洞(106-109太阳质量)；

(4)极低频率(10-18-10-15赫兹)。探测方法是宇宙微波背景辐射的极化测量，主要探测由早期宇宙重力场的量子扰动产生并在浪涌期放大的原始引力波。

脉冲星计时观测与引力波

图3观察多个脉冲星，形成一个定时阵列，捕捉经过的引力波信号

脉冲星是具有强磁场的旋转中子星。目前，已知的脉冲星有2500多颗，它们的旋转周期从1.4毫秒到8.5秒不等。其中，有300多颗脉冲星的旋转周期不到20毫秒。这些毫秒脉冲星是极其稳定的自然时钟，它们的周期变化率一般在10-20左右。脉冲星计时观测是测量毫秒脉冲星脉冲信号的到达时间。

单个脉冲通常非常不稳定和微弱，而大量脉冲叠加在一起时具有非常稳定的轮廓。那么脉冲星计时观测如何测量引力波呢？

事实上，引力波会导致空.的变形当引力波在地球和脉冲星之间通过时，脉冲星发射的无线电波的路径将被周期性地压缩和延长，导致望远镜接收到的脉冲信号周期性地提前到达和延迟。对脉冲到达时间的长期监测有望捕捉到引力波信号。

然而，仅仅观测一颗脉冲星是不够的，因为许多噪声会掩盖引力波信号，但是观测一颗脉冲星可以用来限制数据中可能存在的引力波信号强度。因此，天文学家提出了脉冲星计时阵列的概念，即同时监测多个脉冲星(图3)，并找出引力波对不同脉冲星计时信号的相互影响。

消除各种噪声干扰

引力波探测的主要挑战是引力波信号太弱，通常隐藏在各种噪声中。脉冲星的定时信号噪声包括望远镜观测系统噪声、射频干扰、不稳定脉冲轮廓引起的噪声、不稳定脉冲星旋转引起的噪声和星际介质引起的噪声。

此外，时间标准的不稳定性和太阳系星历表的不准确性将导致观测数据中的相关噪声。

幸运的是，通过观察足够多的脉冲星，引力波引起的时间残差的相关性可以从这些噪声中分离出来。

当前国际上脉冲星计时阵列观测项目

目前，国际上脉冲星计时阵列的观测项目有三个:

(1)ppta项目利用澳大利亚65米的prakes射电望远镜，对20毫秒脉冲星进行了5年多的时间观测；

(2)epta项目，采用德国的100米埃弗尔斯堡、英国的76米洛夫尔、法国的94米纳奇、荷兰的96米威斯特伯克射电望远镜等。，已经观测到42毫秒脉冲星，其中22个已经观测了5年以上；

(3)nanograv项目利用美国305米阿雷西博和100米格林班克射电望远镜，对45毫秒脉冲星进行了11年的时间观测，并利用这些数据对引力波背景进行了初步探讨。

这些项目通过提高计时精度或降低噪音水平、收集更多的计时数据点和观测更多的脉冲星来提高脉冲星计时阵列探测引力波的灵敏度。

2016年，国际脉冲星计时阵列合作小组发布了第一批数据，这意味着在纳米赫兹范围内的引力波探测已经向前迈出了非常重要的一步。

纳米赫兹引力波源

超大质量黑洞是纳米赫兹引力波的重要来源。合并的超大质量双黑洞具有强烈的扭曲时间空和相对论运动，产生强烈的时间空扰动或波动，即宇宙中最强的引力波信号。恒星与黑洞合并产生的引力波波形相似，但具有较长的时间变化和较大的变化范围，其信噪比可达103，远高于恒星黑洞产生的引力波振幅(信噪比约为10)。

引力波探测作为一种信使将改变我们对超大质量黑洞的诞生、成长和演化以及它们在宇宙结构形成中的作用的理解。目前，我们对超大质量黑洞的认识主要来自于对不同演化时期活动星系核或类星体电磁波的观测。

宇宙黎明明时期的物理过程(红移约20°)不能用电磁波观测来研究。此时，宇宙是不透明的，直到红移z=7.5。目前发现最远距离类星体的红移大于7，这给它们在不透明时代的形成带来了重要的限制。引力波观测将是揭示黎明明时期超大质量黑洞存在和物理的主要手段。

此外，通过测量黑洞自旋和角动量之间的角度，我们可以收集超大质量黑洞与其周围环境之间的相互作用，并知道双黑洞的演化是否受周围气体的驱动。

特别是，气体可以对黑洞自旋施加耗散力矩，使黑洞的自旋方向与气体的角动量会聚，这对合并产生超大质量黑洞的命运也有重要意义，合并超大质量双黑洞的合并速率和性质与其所在星系有关。纳米赫兹引力波也可能包括其他成分的贡献，如宇宙弦产生的引力波和原始引力波。

除了引力波探测，高精度脉冲星计时观测还有其他用途，如研究双星系统和中子星质量、脉冲星位置和空速度测量、广义相对论测试、电离星际介质分析、建立独立时间标准、搜索太阳系天体和深空导航等

中国将在探测纳赫兹引力波方面有所作为

图4云南省景东县哀牢山徐家坝水库旁的候选地点

贵州500米球形射电望远镜(fast)的建立和云南京东120米脉冲星望远镜的规划建设将引领中国引力波探测的发展。

两台望远镜的联合观测将显著增加毫秒脉冲星的数量，并大大提高纳米赫兹引力波探测的灵敏度。预计通过对大量脉冲星的长期观测，将探测到第一个纳米赫兹的引力波信号。

中国科学院云南天文台经过多年选址，发现云南省景东县许家坝是世界上少有的低纬度、无线电环境安静的优秀地点(图4)，并提出建造一台120米全移动式脉冲星射电望远镜。

它观测脉冲星的综合性能几乎是世界上最大的100米级完全可移动射电望远镜effelsberg和green bank的两倍。将观测与快速望远镜相结合，将成为观测脉冲星时天空面积最宽、灵敏度最高的望远镜，并全面超越世界上三大脉冲星计时阵列项目。

该望远镜预计投资3.5亿元，建设期为3年。这将是一架具有重大科学意义和高投资效率的望远镜。

(作者:研究员，中国科学院云南天文台)

来源：搜狐微门户