一个可以帮助揭示时空涟漪的“宇宙灯塔”系统

遍布银河系的脉冲星提供了一种观察时空涟漪的新方法。

上图：费米伽马射线太空望远镜探测来自遥远脉冲星的伽马射线的示意图。

一组天文学家收集了费米伽马射线太空望远镜12.5年的数据，组成了一个伽马射线脉冲星计时阵列，这是一个可以帮助揭示时空涟漪的宇宙灯塔系统。

自2016年首次观测到引力波以来，天文学家和天体物理学家一直在试图确定引力波的背景，有效地确定时空中这些波的整个海洋。 宇宙中最大质量的物体（如黑洞和中子星）的快速旋转和碰撞，会产生可以在地球上检测到的引力波。

LIGO和室女座干涉仪接收到了来自黑洞合并的引力波，这些黑洞的大小是太阳的几倍，被称为恒星质量的黑洞。但科学家们也希望看到更大的波，比如两个超大质量黑洞相互碰撞时产生的涟漪。这是一个挑战。

来自波恩马克斯普朗克射电天文研究所的天文学家 Aditya Parthasarathy 表示，来自恒星质量黑洞合并的引力波“有几十到几百公里长，因此我们需要只有几公里长的探测器。为了探测超大质量黑洞合并产生的万亿公里长的引力波，我们需要一个横跨银河系的探测器！”

虽然，我们无法建造一个星系范围的探测器，但我们可以利用自然存在的脉冲星，这正是研究人员开展这项新工作的目的。他们建立在脉冲星计时阵列的基础上，这种计时阵列依赖于从快速旋转的死恒星残骸中发出的无线电波。这些脉冲星以一种可预测的方式旋转，这使得研究人员可以记录脉冲到达地球所需时间的细微变化。这些变化是由于时空引力波的扭曲造成的，这种扭曲导致脉冲比平时提前或晚一点到达。

将脉冲星的信号串成网络，天文学家就可以形成银河系规模的天文台。然后，费米伽马射线太空望远镜就探测到这些脉冲星所产生的伽马射线。他们的研究发表在《科学》杂志上。

去年，北美纳赫兹引力波天文台（North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves）发布了一个12.5年的数据集，描述了45颗银河系脉冲星发出的光的模式，该研究的主要作者表示，这是一种低频信号，“我们预计引力波背景的最初迹象是什么样子的”。这些数据来自两台射电望远镜：西弗吉尼亚州的绿岸望远镜和波多黎各的阿雷西博望远镜，后者于2020年倒塌。

上图：两个黑洞合并并爆发引力波的可视化（紫色）。

但对来自脉冲星的无线电波进行计时，并不是寻找引力波背景的万无一失的方法。 天文学家指出，脉冲星的无线电波需要很长的距离才能到达地球，它们会遇到可能破坏波传播的杂散电子。 然而，伽马射线光子忽略了杂散电子，因此伽马射线观测没有这种主要的噪声源，所以，伽马射线脉冲星定时阵列是研究引力波背景信号更直接的探测器。

撇开所有的直接性不谈，利用脉冲星的伽马辐射为其计时，可以让天文学家独立于射电源对引力波背景进行探测，从而更全面地了解实际情况。

引力波背景在某些方面类似于宇宙微波背景，宇宙微波背景是我们在宇宙中可以看到的最早的光，存在于我们天空中的任何地方。但这篇论文的合著者、美国海军研究实验室的天文学家马修·科尔说，在某些方面，它比（宇宙微波背景）更有活力，因为它追踪过去数十亿年的宇宙演化，而最大的（最近的）源可能只是数十万年来的强（引力波）源，基本上没有这些规模的东西。

天文学家补充道，这些波是“对星系内部动力学和合并历史的伟大探索。但它们直到超大质量黑洞存在才开始，这需要很长时间，因为星系必须凝聚、形成恒星并成长。”

费米的方法还没有射电望远镜那么灵敏 —— 最近的结果大约是射电脉冲星计时阵列的30% —— 但天文学家们相信，在大约5年内，费米将在探测引力波背景方面达到同样的水平。

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