FERMI 卫星寻找极长波长的引力波信号

费米大区域望远镜在地球上空 500 公里的轨道上运行,收集来自毫秒脉冲星的伽马射线。 当这些高能光子穿越银河系时,它们会遇到由合并星系中心合并的超大质量黑洞对产生的低频引力波海洋。 时空涟漪的波长超过 100 万亿公里,导致每个光子到达的时间比预期的稍早或稍晚。 监测来自许多毫秒脉冲星的伽马射线——一个被称为脉冲星定时阵列的实验——可以揭示这个明显的特征。 脉冲星计时阵列以前只使用灵敏的射电望远镜。 现在,来自费米的数据正在启用基于伽马射线的脉冲星计时阵列,并为这些引力波提供新的、清晰的视图。 图片来源:Daniëlle Futselaar/MPIfR (artsource.nl)

合并星系中心的超大质量黑洞合并使宇宙充满低频引力波。 天文学家一直在使用大型射电望远镜寻找这些波,以寻找这些时空涟漪对我们银河系内脉冲星发射的无线电波的微妙影响。 现在,一个国际科学家团队表明,美国宇航局费米伽马射线太空望远镜收集到的高能光也可以用于搜索。 使用伽马射线代替无线电波可以更清晰地观察脉冲星,并提供一种独立且互补的方式来探测引力波。

包括德国波恩马克斯普朗克射电天文研究所的 Aditya Parthasarathy 和 Michael Kramer 在内的国际科学家团队的研究结果于本周发表在《科学》杂志上。

引力波的海洋

在大多数星系的中心——像我们自己的银河系一样的数千亿颗恒星的集合——都有一个超大质量黑洞。 星系被巨大的引力相互吸引,当它们合并时,它们的黑洞会沉入新的中心。 当黑洞向内盘旋并合并时,它们会产生长引力波,在波峰之间延伸数百万亿公里。 宇宙充满了这种合并的超大质量黑洞,它们充满了低频时空涟漪的海洋。

几十年来,天文学家一直在通过观察脉冲星的脉冲来寻找这些波,脉冲星是大质量恒星的致密残余物。 脉冲星非常有规律地旋转,天文学家确切地知道每个脉冲的预期时间。 然而,当脉冲到达地球时,引力波的海洋会发生微妙的变化,精确监测天空中的许多脉冲星可以揭示它的存在。 以前对这些波的搜索只使用大型射电望远镜,用于收集和分析无线电波。 但是现在,一个国际科学家团队已经在 NASA 的费米伽马射线太空望远镜收集的十多年数据中寻找这些微小的变化,他们的分析表明,只需几年的额外观测,就可以探测到这些波。


引力波的长度,或时空中的涟漪,取决于它的来源,如图所示。 科学家需要不同种类的探测器来研究尽可能多的光谱。 图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心概念图像实验室

“费米在伽马射线中研究宇宙,伽马射线是最有能量的光。我们很惊讶它在寻找我们需要寻找这些引力波的脉冲星类型方面做得如此出色——到目前为止已经超过 100 个,”马修克尔说,华盛顿美国海军研究实验室的研究物理学家。 “费米和伽马射线具有一些特殊的特性,共同使它们成为这项研究中非常强大的工具。”

这项由德国波恩马克斯普朗克射电天文研究所 (MPIfR) 研究员 Kerr 和 Aditya Parthasarathy 共同领导的研究结果发表在 4 月 7 日的《科学》杂志上。

宇宙钟

光有多种形式。 低频无线电波可以穿过一些物体,而高频伽马射线在遇到物质时会爆炸成高能粒子阵雨。 引力波也涵盖了广泛的光谱,更大质量的物体往往会产生更长的波。

建造一个足够大的探测器来探测由合并的超大质量黑洞驱动的万亿公里波是不可能的,因此天文学家使用称为脉冲星计时阵列的自然发生的探测器。 这些是毫秒脉冲星的集合,它们在无线电波和伽马射线中发光,每秒旋转数百次。 就像灯塔一样,这些辐射束在扫过地球时似乎有规律地脉冲,当它们穿过引力波海洋时,它们会留下遥远的巨大黑洞微弱的隆隆声。

独特的探头

脉冲星最初是使用射电望远镜发现的,而使用射电望远镜的脉冲星定时阵列实验已经运行了近二十年。 这些大碟形天线对引力波的影响最为敏感,但星际效应使无线电数据的分析变得复杂。 太空大部分是空的,但在穿越脉冲星和地球之间的广阔距离时,无线电波仍然会遇到许多电子。 类似于棱镜弯曲可见光的方式,星际电子弯曲无线电波并改变它们的到达时间。 高能伽马射线不会以这种方式受到影响,因此它们提供了一种互补且独立的脉冲星计时方法。

“在潜在地探测引力波背景方面,费米的结果已经比无线电脉冲星定时阵列好 30%,”Parthasarathy 说。 “通过另外五年的脉冲星数据收集和分析,它同样能够获得额外的好处,而不必担心所有这些杂散电子。”

伽马射线脉冲星定时阵列,在费米发射之前没有被设想,代表了引力波天体物理学的强大新能力。

“用脉冲星探测引力波背景是触手可及的,但仍然很困难。通过费米在这里出人意料地展示了一种独立的方法,这是一个好消息,既可以证实未来的发现,也可以证明它与无线电实验的协同作用,”迈克尔·克莱默 (Michael Kramer) 总结道。 MPIfR 及其射电天文学基础物理学研究部负责人。