通过“宇宙灯塔”寻找来自双超大质量黑洞的引力波_风闻

原创：牧夫天文

翻译： 华子乾

校译：陈艳玲 田程偲 汪荣鑫 陆寅枫

编排：陶邦惠

原文链接：

https://astrobites.org/2019/02/21/searching-for-gravitational-waves-from-binary-supermassive-black-holes-with-cosmic-lighthouses/

当人们提到引力波探测时，他们通常会想到LIGO，一个巨大的干涉仪，成功地探测到了多次来源于双黑洞和双中子星合并的引力波。但是，还有另外一个全球性组织也致力于通过别的途径探测引力波。

NANOGrav，也就是北美纳赫兹引力波天文台，是使用世界上对使用大质量中子星（就像宇宙中的灯塔）辐射到达时间来探测引力波的全球范围尝试的一部分。

什么是脉冲星？

人们怎么通过脉冲星探测引力波？

脉冲星是大质量的、旋转的中子星，它们发出的辐射像灯塔一样扫过我们的视线方向。脉冲星的自转十分的稳定，周期从几毫秒到十几秒不等。毫秒脉冲星，也就是自转周期在几毫秒左右的脉冲星，自转周期尤为稳定，准确度甚至可以与原子钟相媲美。因此，NANOGrav对这些自转极快的脉冲星十分感兴趣。他们对脉冲星“计时”，通过多次观测来确定脉冲星脉冲具体的频率。 

单个脉冲星的脉冲到达时间（TOA）被定期记录并整合为一个大的数据集。如果引力波恰好从我们与某一颗脉冲星之间经过，脉冲到达的时间就会轻微的变化。比如恰好有一束引力波向我们传来，这会让我们更早一些看到脉冲星的脉冲。

天文学家们建立了复杂的时间模型来预测/描述脉冲到达的时间。同时这些模型也考虑了其他因素，例如天体的自行，星际介质导致的延迟，脉冲星本身的公转周期等等。在收集了全天脉冲星年复一年的数据后，NANOGrav可以通过研究脉冲到达时间来寻找引力波。

这样探测引力波与LIGO使用的方法有何不同？

LIGO和脉冲星时间阵列（PTA）的主要区别在于它们探测的是不同的引力波源。如图1所示，LIGO主要探测来自中子星、黑洞合并产生的引力波，频率在几百赫兹左右。脉冲星时间阵列主要探测的则是完全不同频率的引力波（纳赫兹量级，也就是10^-8Hz）。这一频率的引力波主要来自于双超大质量黑洞及其合并，以及原初引力波（产生于宇宙早期的引力波，可能来自暴胀）。

图1:不同仪器可以观测的不同频率范围。

NANOGrav使用了西弗吉尼亚州的绿岸望远镜（Green Bank Telescope）和波多黎各岛的阿雷西博望远镜（Arecibo Telescope）来观测毫秒脉冲星（有时也使用了新墨西哥州的甚大天线阵列（Very Large Array）来进行观测）。

在此期间，有新的脉冲星被发现并被添加入数据集，也有周期并不准确的脉冲星被去除。NANOGrav这一次使用的数据集包含了2004年到2015年之间用绿岸望远镜和阿雷西博望远镜对45颗脉冲星的观测。

阿雷西博望远镜：阿雷西博望远镜建设于20世纪60年代，曾经是全世界最大的单口径射电望远镜（最近被我国的FAST超过，两者相同的是反射面均不可转动），口径305米，后来被拓展为350米。阿雷西博作为一台巨大的射电望远镜，特点是其巨大的馈源仓，重达约500吨。在阿雷西博工作的几十年中，其为天文学发展做出了巨大的贡献。包括了发现首颗系外行星，认证大量脉冲星系统，以及对双中子星系统PSR191316的观测（Hulse和Taylor研究了这个十分密近的双星系统，再一次佐证了广义相对论，也被授予1993年诺贝尔物理学奖）。

绿岸望远镜：绿岸望远镜曾隶属于美国国家射电天文台。建成于2001年，也是当今世界上最为先进的一台射电望远镜。其口径为110米，与阿雷西博望远镜不同，绿岸望远镜是一台全可动射电望远镜（也是目前人类技术水平可以建造的最大的可动望远镜），也就是说它可以主动指向想要观测的目标。绿岸望远镜使用了独特的偏心设计，其反射面并非完全对称，这使得其馈源可以不位于反射面的正上方，也显著的增加了望远镜的有效口径。绿岸望远镜的表面精度十分的高，这也使得其可以胜任一部分毫米波的工作。

NANOGrav探测的下限是多少？

我们如何获得下限？

如果你阅读过引力波探测相关的材料，那你一定听说过类似“频率”和“应变”这样的名词。引力波的频率就是每秒内发生的引力波数量；引力波的振幅，通常用字母h表示，指的是当引力波经过两物体之间时，两物体间距离的相对变化。

通过在数据集中搜寻连续波（来自单个源的波，而非来自引力波背景），NANOGrav合作组估计在8纳赫兹时，在最灵敏的天区能够探测到应变为 7.3 ± 3 x 10^(-15) 的引力波。

图2:数据集中所用不同脉冲星的位置。在脉冲星更多的天区我们可以收集更多的数据，也就可以探测到更小的振幅。用红圈标出的是全天最灵敏的点。

可探测引力波的最小频率可以通过对总观测时长（11.4年）取倒数得到，也就是2.8纳赫兹。最高频率由对脉冲星观测的采样频率决定。由于一些脉冲星每隔数周才会被观测一次，NANOGrav团队可以得到的最高频率是826.7纳赫兹。通过搜集更多的数据，NANOGrav团队可以不断地提高仪器灵敏度，探测到更加微弱的引力波。（如图3）在分析了34颗脉冲星至少3年的观测数据后，团队并没有在总长为11年的数据集中发现引力波的痕迹。

图3:随着更多的数据被收集，我们可以发现越来越低的振幅。

NANOGrav在数据集中发现了什么？

通过能探测到的应变上限，利用啁啾质量和引力波频率，就可以知道至少可以探测到距离多远的天体和引力波频率给出距离的下限。

啁啾质量：由双星系统中两个天体质量确定的物理量，由于最初引力波发现后人们用声波模拟了所探测引力波并命名这种声音为啁啾声（chirp），因此将一个由两天体质量确定的物理量称为啁啾质量，啁啾质量会确定引力波的波形。

在最灵敏的天区，我们发现在1.2亿万秒差距的范围内，没有啁啾质量大于10^9太阳质量的双超大质量黑洞。而在55亿秒差距的范围内，没有啁啾质量大于10^10太阳质量的双超大质量黑洞。我们也可以使用脉冲星时间阵列来理解引力波来自的区域。这十分有趣，因为有许多近邻星系中存在双超大质量黑洞候选体。

使用现有的数据集，团队发现在室女座星系团中不存在啁啾质量大于1.6 x 10^9太阳质量的双超大质量黑洞发射频率为9纳赫兹的引力波。这也就说明星系NGC4472，NGC4486，NGC4649中不存在能在这一频率范围内发射引力波的双超大质量黑洞。所以，这一数据集并不仅仅告诉我们关于引力波的信息，而是同时具有天体物理方面的意义。

脉冲星时间阵列的未来如何？

NANOGrav正不断优化数据处理的过程。新的处理软件，例如PINT（用于处理脉冲时间）和enterprise（用于引力波分析）正让脉冲星时间阵列数据集的产生与分析变得更好。

世界各地的多个脉冲星时间阵列小组也正对脉冲星进行观测。这些小组，作为国际脉冲星时间阵列组织的一部分，正共同致力于建立最完整的脉冲到达时间集合。现有估计是在未来10年内就会有来自连续波源的引力波被成功观测到。

NANOGrav正处在引力波科学研究的最前沿，所以请持续关注NANOGrav的结果。

『天文时刻』 牧夫出品

微信号：astronomycn

黑洞的吸积盘与喷流 | NASA, Swift, Aurore Simonnet (Sonoma State U.)