探测低频引力波的新窗口
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引力波是由于时空的弯曲而产生的波动，它可以传播到远处，携带着关于其来源的信息。引力波的存在是由爱因斯坦的广义相对论预言的，但直到2015年，人类才首次直接探测到引力波，这是由两个黑洞合并产生的。这个历史性的发现为我们开启了一个新的天文学窗口，让我们能够观测到那些用电磁波无法看到的天体和现象。
引力波的频率取决于其来源的特征，比如质量、速度和距离。目前，我们已经探测到了几十个引力波事件，它们的频率都在几十赫兹到几千赫兹之间，这是由于它们的来源都是由黑洞或中子星组成的紧密双星系统。这些引力波可以被地面的激光干涉仪探测到，比如LIGO和Virgo。 然而，我们知道还有更多的引力波源存在，它们的频率要低得多，比如超大质量黑洞的合并、宇宙暴胀的遗迹、或者一些新的物理过程。这些引力波的频率可能在纳赫兹以下，甚至达到亚纳赫兹的范围。这些引力波的波长非常长，无法被地面的仪器探测到。我们需要寻找一种新的方法，来探测这些超低频的引力波。 这就引出了我们的主角——脉冲星。脉冲星是一种特殊的中子星，它是由恒星坍缩后留下的致密核心。脉冲星有着极强的磁场和快速的自转，它们会从两极发射出强烈的射电波束，就像一盏灯塔一样。当这些射电波束扫过地球时，我们就可以用射电望远镜接收到它们，形成一系列的脉冲信号。这些脉冲信号非常稳定和规律，就像一枚精密的时钟一样。事实上，有些脉冲星的稳定性甚至超过了原子钟，它们被称为毫秒脉冲星。 脉冲星的稳定性使得它们成为了探测引力波的理想工具。如果有一种引力波通过地球和脉冲星之间的时空，它会导致时空的弯曲，从而改变我们接收到的脉冲信号的到达时间。通过观测多个脉冲星的脉冲信号，我们可以寻找引力波引起的相关的时间延迟，从而探测到引力波的存在和性质。目前，有几个国际合作的脉冲星计时阵列项目正在进行中，它们的目标是探测纳赫兹频段的引力波，主要来自于超大质量黑洞的合并。 然而，脉冲星计时阵列的方法有一个局限性，那就是它只能探测到周期大于观测时间的引力波，也就是说，它只能探测到频率高于1 nHz的引力波。那么，如果有一种引力波的频率低于1 nHz，甚至达到亚纳赫兹的范围，我们该怎么办呢？这就需要我们找到一种新的方法，来探测这些超低频的引力波。最近有一篇论文就做出了这样的贡献，它提出了一种用脉冲星参数漂移探测亚纳赫兹引力波的方法。 什么是脉冲星参数漂移呢？简单地说，就是脉冲星的一些物理参数，比如自转周期、自转频率、自转相位等，会随着时间而缓慢地变化。这些变化有很多可能的原因，比如脉冲星的内部结构、磁场、星风、双星伴星等。这些变化会影响我们观测到的脉冲信号的形状和周期，因此我们可以用射电望远镜测量这些参数，并且拟合它们的变化规律。这些参数的变化规律通常可以用一些简单的函数来描述，比如线性、二次、三次等。 然而，如果有一种亚纳赫兹的引力波通过地球和脉冲星之间的时空，它也会引起脉冲星参数的变化，但这种变化是由于时空的弯曲，而不是脉冲星本身的物理过程。因此，这种引力波引起的参数变化会和我们拟合的函数有一个微小的偏差，这个偏差就是我们要寻找的信号。这种方法的优点是，它不需要引力波的周期大于观测时间，只需要引力波的周期大于脉冲星参数的变化时间，也就是说，它可以探测到频率低于1 nHz的引力波。 论文的作者就是用这种方法，来分析了一些已有的脉冲星观测数据，他们发现了一些有趣的结果。他们发现，有一些脉冲星的参数漂移的残差，显示出了一种周期性的变化，这种变化的频率在0.1 nHz到1 nHz之间，这正是亚纳赫兹引力波的频段。他们还发现，这些残差的方向和大小，与一种特殊的引力波源的预期一致，那就是由于宇宙暴胀产生的原初引力波。 宇宙暴胀是一种宇宙学的理论，它认为，在宇宙诞生的最初的一瞬间，宇宙经历了一段极快的指数级的膨胀，使得宇宙的尺度从一个量子涨落的大小，增长到了一个可观测的大小。这种暴胀的原因和机制还不是很清楚，可能和一种称为暴胀场的场有关。宇宙暴胀的理论可以解释一些宇宙学的谜题，比如平坦性问题、视界问题和磁单极问题等。 宇宙暴胀的过程中，暴胀场的量子涨落会被放大到宏观的尺度，从而在时空中产生微小的扰动，这些扰动就是原初引力波。原初引力波是一种非常古老的引力波，它可以反映宇宙最早的状态和物理。原初引力波的频率分布是一个连续的谱，它可以覆盖从亚纳赫兹到千赫兹的范围，但是不同的频段对应的原初引力波的强度不同，它取决于暴胀的模型和参数。目前，我们还没有直接探测到原初引力波的存在，但是有一些间接的证据，比如宇宙微波背景辐射的B模极化等。 |
