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一位對脈沖業(yè)內者對脈沖星的描繪。

(圖片來(lái)源:宇航局戈達德太空飛行中心)

保羅·M·薩特是紐約州立大學(xué)石溪分校和熨斗研究所的天體物理學(xué)家，《問(wèn)宇航員》和《太空廣播》的主持人，《在太空中死亡》的作者。

天文學(xué)家希望利用散布在銀河周?chē)拿}沖星作為巨大的引力波探測器。我們?yōu)槭裁葱枰鼈?，又如何利用它們工作?

引力波，或時(shí)空結構中的微瀾，各種來(lái)源不斷地在宇宙中晃動(dòng)?，F在，當一波又一波穿過(guò)你的身體時(shí)，你正受到輕微的拉伸和擠壓。這些波來(lái)自合并的黑洞、巨大恒星的爆炸，甚至是大爆炸的初期。

在地球上，我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出非常靈敏的引力波探測器，能夠感知短暫但響亮的事件，比如黑洞合并，這種事件只持續幾秒鐘，但會(huì )產(chǎn)生如此巨大的信號，我們得以探測到。 (“巨大”在這里是一個(gè)相對的詞;由通過(guò)的波引起的畸變小于原子核的寬度。)

地面探測器發(fā)現低頻引力波的難度，在于低頻引力波需要數周、數月甚至數年才能穿過(guò)地球。并且它來(lái)自大黑洞的合并，它們比小黑洞合并的時(shí)間要長(cháng)得多。探測器從靈敏度、長(cháng)時(shí)間跨度內測量微小的差異未具備條件。為此，需要一個(gè)更大的探測器。

我們利用遙遠的脈沖星來(lái)協(xié)助測量引力波，而不是使用地面上的儀器。這就是所謂脈沖星定時(shí)陣列背后的想法。

為脈沖星供電

脈沖星是神奇的物體，尤其是用作引力波探測器的脈沖星。

脈沖星是巨星殘留物，是宇宙中已知的最奇異的天體之一。它們是幾乎完全由中子制成的超密度球，其中有一些電子和質(zhì)子。電荷旋轉會(huì )產(chǎn)生難以置信的強磁場(chǎng)——在某些情況下，是宇宙中最強大的磁場(chǎng)。

強磁場(chǎng)也會(huì )產(chǎn)生強電場(chǎng)。它們一起為從磁極向各個(gè)方向發(fā)射的輻射束提供能量（如果你在這里感受到死星的振動(dòng)，你就不遠了）。這些磁極并不總是與脈沖星的旋轉軸對齊，就像地球的南北磁極不與我們星球的旋轉軸一致同理。

這迫使輻射束在天空中掃出圓圈。當這些光束穿過(guò)地球時(shí)，我們看到了無(wú)線(xiàn)電發(fā)射的周期性閃光，將“脈沖”放入“脈沖星”中。

脈沖星非常有規律。它們重、旋轉快，我們用它們的閃光作為極其精確的時(shí)鐘。但大多數脈沖星容易受到隨機星震(當恒星的內容物四處移動(dòng)，干擾脈沖星的旋轉)、故障和減速的影響，以至改變它們的規律性。大多數脈沖星都不適合應用于引力波研究。

計時(shí)陣列依賴(lài)于脈沖星的一個(gè)子集，即毫秒脈沖星，顧名思義，它的旋轉周期為幾毫秒。天文學(xué)家認為，毫秒脈沖星是“蘇醒的”脈沖星，在伴星墜落的物質(zhì)加速后，它們的旋轉速度達到了令人難以置信的速度，就像大人推著(zhù)孩子上學(xué)校里的旋轉木馬一樣。由于毫秒脈沖星的速度驚人，它們可以在很長(cháng)的時(shí)間尺度內保持同等精度。例如，脈沖星PSR B1937+21的旋轉周期為1.5578064688197945 +/- 0.0000000000000004秒。這和我們最好的原子鐘的精度是一樣的。而這些毫秒脈沖星無(wú)疑是完美的引力波探測器。

陣列定時(shí)

以下是它的工作原理。首先，天文學(xué)家觀(guān)察盡可能多的毫秒脈沖星的自轉周期。如果引力波經(jīng)過(guò)地球、脈沖星甚至我們之間，它同時(shí)將改變地球和脈沖星之間的距離。隨著(zhù)波的移動(dòng)，脈沖星的距離也會(huì )時(shí)遠時(shí)近，以此類(lèi)推，直到波繼續移動(dòng)。

在我們看來(lái)，距離的變化將表現為旋轉周期的變化。脈沖星的一道閃光可能來(lái)得有點(diǎn)太早；那么另一個(gè)可能會(huì )來(lái)得有點(diǎn)晚。一個(gè)典型的引力波，時(shí)間的變化非常微小，每幾個(gè)月才10或20納秒。但對毫秒脈沖星的測量已經(jīng)足夠靈敏，至少理論上可以檢測到這些變化。

“脈沖星計時(shí)陣列”的“陣列”部分來(lái)自于同時(shí)研究許多脈沖星并尋找相關(guān)運動(dòng)：如果引力波經(jīng)過(guò)空間的一個(gè)區域，那么該方向的所有脈沖星的計時(shí)一致。幾十年來(lái)，世界各地的許多合作單位都使用射電望遠鏡研究脈沖星定時(shí)陣列。到目前為止，他們的成功很有限，發(fā)現了各種脈沖星的時(shí)間變化，但沒(méi)有發(fā)現相關(guān)性的跡象。每年，技術(shù)都在進(jìn)步，希望很快，這些陣列就能解開(kāi)宇宙引力波的大部分。

BY:Paul Sutter

FY:jane

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