stringtranslate.com

Массив пульсаров для измерения времени

Массив пульсаров ( PTA ) — это набор галактических пульсаров , который отслеживается и анализируется для поиска коррелированных сигнатур во времени прибытия импульсов на Землю. Таким образом, они являются детекторами галактических размеров. Хотя существует множество приложений для массивов пульсаров, наиболее известным является использование массива миллисекундных пульсаров для обнаружения и анализа длинноволнового (т. е. низкочастотного) гравитационно-волнового фона . Такое обнаружение повлечет за собой детальное измерение сигнатуры гравитационной волны (ГВ), например, вызванной ГВ квадрупольной корреляции [1] между временем прибытия импульсов, испускаемых различными парами миллисекундных пульсаров, которая зависит только от углового разделения пар в небе. Более крупные массивы могут быть лучше для обнаружения ГВ, поскольку квадрупольные пространственные корреляции, вызванные ГВ, могут лучше отбираться многими другими парами пульсаров. При таком обнаружении гравитационных волн миллисекундные массивы пульсаров откроют новое низкочастотное окно в гравитационно-волновой астрономии, позволяющее заглянуть в потенциальные древние астрофизические источники и ранние процессы Вселенной , недоступные никаким другим способом. [2] [3]

Обзор

Пульсары P1 ... Pn периодически посылают сигналы, которые принимаются на Земле. Гравитационная волна (ГВ) возмущает пространство-время между пульсаром и Землей (E) и изменяет время прибытия импульсов. Измеряя пространственную корреляцию изменений параметров импульсов многих различных пар пульсаров, можно обнаружить ГВ.

Предложение использовать пульсары в качестве детекторов гравитационных волн (ГВ) было первоначально выдвинуто Михаилом Сажиным [4] и Стивеном Детвейлером [5] в конце 1970-х годов. Идея состоит в том, чтобы рассматривать барицентр солнечной системы и галактический пульсар как противоположные концы воображаемого рукава в пространстве. Пульсар действует как эталонные часы на одном конце рукава, посылая регулярные сигналы, которые отслеживаются наблюдателем на Земле. Эффект проходящего длинноволнового ГВ будет заключаться в возмущении галактического пространства-времени и в небольшом изменении наблюдаемого времени прибытия импульсов. [6] : 207–209 

В 1983 году Хеллингс и Даунс [7] распространили эту идею на массив пульсаров и обнаружили, что стохастический фон гравитационных волн будет создавать отличительную сигнатуру гравитационных волн: квадрупольную и более высокую многополярную пространственную корреляцию между временем прибытия импульсов, испускаемых различными парами миллисекундных пульсаров , которая зависит только от углового разделения пар на небе, если смотреть с Земли (точнее, от барицентра Солнечной системы). [8] Ключевым свойством массива синхронизации пульсаров является то, что сигнал от стохастического фона гравитационных волн будет коррелироваться по линиям визирования пар пульсаров, в то время как сигнал от других шумовых процессов не будет. [9] В литературе эта пространственная корреляционная кривая называется кривой Хеллингса-Даунса или функцией уменьшения перекрытия. [10]

Работа Хеллингса и Даунса была ограничена по чувствительности точностью и стабильностью пульсарных часов в массиве. После открытия более стабильного миллисекундного пульсара в 1982 году Фостер и Бэкер [11] улучшили чувствительность к гравитационным волнам, применив в 1990 году анализ Хеллингса-Даунса к массиву высокостабильных миллисекундных пульсаров и инициировав «программу массива синхронизации пульсаров» для наблюдения за тремя пульсарами с использованием 43-метрового телескопа Национальной радиоастрономической обсерватории .

Миллисекундные пульсары используются, потому что они не подвержены звездотрясениям и сбоям , [ 12] событиям аккреции или стохастическому временному шуму [13], которые могут повлиять на период классических пульсаров. Миллисекундные пульсары имеют стабильность, сравнимую со стандартами времени на основе атомных часов при усреднении за десятилетия. [14]

Одним из факторов, влияющих на эти свойства распространения, являются низкочастотные гравитационные волны с частотой от 10−9 до 10−6 герц ; наиболее вероятными астрофизическими источниками таких гравитационных волн являются сверхмассивные двойные черные дыры в центрах сливающихся галактик , где десятки миллионов солнечных масс находятся на орбите с периодом от нескольких месяцев до нескольких лет.

ГВ приводят к тому, что время прибытия импульсов изменяется на несколько десятков наносекунд по длине их волны (так, для частоты 3 x 10−8 Гц , одного цикла в год, можно было бы обнаружить, что импульсы приходят на 20 нс в начале июля и на 20 нс в конце января). Это тонкий эксперимент, хотя миллисекундные пульсары являются достаточно стабильными часами, чтобы время прибытия импульсов можно было предсказать с требуемой точностью; эксперименты используют наборы из 20–50 пульсаров для учета эффектов дисперсии в атмосфере и в пространстве между наблюдателем и пульсаром. Необходимо контролировать каждый пульсар примерно раз в неделю; более высокая частота наблюдений позволила бы обнаруживать более высокочастотные ГВ, но неясно, будут ли достаточно громкие астрофизические источники на таких частотах.

С помощью этого метода невозможно получить точные данные о местоположении источников на небе, поскольку анализ времени двадцати пульсаров даст область неопределенности размером в 100 квадратных градусов — участок неба размером с созвездие Щита , который будет содержать по меньшей мере тысячи сливающихся галактик.

Основная цель PTA — измерение амплитуды фоновых гравитационных волн, возможно, вызванных историей слияний сверхмассивных черных дыр . Амплитуды могут описывать историю формирования галактик. Граница амплитуды фоновых волн называется верхним пределом. Амплитуда фона гравитационных волн меньше верхнего предела.

Некоторые сверхмассивные двойные черные дыры могут образовывать стабильные двойные и сливаться только после того, как возраст Вселенной во много раз превышает текущий возраст. Это называется проблемой последнего парсека . Неясно, как сверхмассивные черные дыры приближаются друг к другу на таком расстоянии.

В то время как сверхмассивные двойные черные дыры являются наиболее вероятным источником очень низкочастотных гравитационных волн, другие источники могут генерировать волны, такие как космические струны , которые могли образоваться на ранних этапах истории Вселенной. Когда космические струны взаимодействуют, они могут образовывать петли, которые распадаются, излучая гравитационные волны. [15] [16]

Действующие и предлагаемые PTA

В мире существует пять активных проектов по синхронизации пульсаров. Первые три проекта (PPTA, EPTA и NANOGrav) начали сотрудничать под названием International Pulsar Timing Array project, InPTA стал участником в 2021 году. Недавно Китай также стал активным, хотя пока и не полноправным членом IPTA.

  1. Система хронометража пульсаров Паркса (PPTA) на радиотелескопе Паркса собирает данные с 2005 года.
  2. Европейская система хронометража пульсаров (EPTA) собирает данные с 2009 года; она использует пять крупнейших радиотелескопов в Европе:
  3. Североамериканская наногерцовая обсерватория гравитационных волн (NANOGrav) использует данные, собранные с 2005 года с радиотелескопов Аресибо и Грин-Бэнк .
  4. Индийская система измерения пульсаров (InPTA) использует модернизированный гигантский радиотелескоп метрового диапазона . [17] [18]
  5. Китайская система измерения пульсаров (CPTA) использует сферический радиотелескоп с апертурой в пятьсот метров (FAST). [19]
  6. MeerKAT Pulsar Timing Array (MPTA), часть MeerTime, проекта MeerKAT Large Survey Project. MPTA направлен на точное измерение времени прибытия импульсов от ансамбля из 88 пульсаров, видимых из Южного полушария, с целью внесения вклада в поиск, обнаружение и изучение гравитационных волн наногерцовой частоты в рамках Международного массива пульсаров .

Наблюдения

График корреляции между пульсарами, наблюдаемыми NANOGrav (2023), и угловым разделением между пульсарами в сравнении с теоретической моделью (пунктирная фиолетовая линия или кривая Хеллингса-Даунса ) и в случае отсутствия гравитационного волнового фона (сплошной зеленый) [20] [21]

В 2020 году коллаборация NANOGrav представила релиз данных за 12,5 лет, который включал в себя убедительные доказательства степенного стохастического процесса с общей амплитудой деформации и спектральным индексом для всех пульсаров, но статистически неубедительные данные для критической квадрупольной пространственной корреляции Хеллингса-Даунса. [22] [23]

В июне 2023 года NANOGrav , EPTA , PPTA и InPTA объявили, что нашли доказательства существования гравитационного волнового фона . 15-летние данные NANOGrav по 68 пульсарам обеспечили первое измерение отличительной кривой Хеллингса-Даунса, характерной квадрупольной сигнатуры гравитационных волн. [24] Аналогичные результаты были опубликованы European Pulsar Timing Array, которая заявила о -значимости, стандарте для доказательств. Они ожидают, что -значимость, стандарт для обнаружения, будет достигнута около 2025 года путем объединения измерений нескольких коллабораций. [25] [26] Также в июне 2023 года Chinese Pulsar Timing Array (CPTA) сообщила о схожих результатах с -значимостью ; они отслеживали 57 миллисекундных пульсаров всего за 41 месяц, используя высокую чувствительность FAST , крупнейшего в мире радиотелескопа. [27] [28] Четыре независимых коллаборации, сообщающие о схожих результатах, предоставили перекрестную проверку доказательств GWB с использованием разных телескопов, разных массивов пульсаров и разных методов анализа. [29] Источники гравитационно-волнового фона не могут быть идентифицированы без дополнительных наблюдений и анализов, хотя двойные сверхмассивные черные дыры являются основными кандидатами. [3]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Сюй, Хэн; Чен, Сиюань; Го, Яньцзюнь; Цзян, Цзиньчэнь; Ван, Боджун; Сюй, Цзянвэй; Сюэ, Зихан; Николас Кабальеро, Р.; Юань, Цзяньпин; Сюй, Юнхуа; Ван, Цзинбо; Хао, Лунфэй; Ло, Цзинтао; Ли, Кеджия; Хан, Цзиньлинь; Цзян, Пэн; Шен, Чжицян; Ван, Мин; Ван, На; Сюй, Ренсинь; У, Сянпин; Манчестер, Ричард; Цянь, Лей; Гуань, Синь; Хуан, Мэнлин; Сунь, Чун; Чжу, Ян (29 июня 2023 г.). «Поиск фона стохастической гравитационной волны наногерца с помощью данных временной матрицы китайских пульсаров, выпуск I». Исследования в области астрономии и астрофизики . 23 (7). Издательство IOP: 075024. arXiv : 2306.16216 . doi : 10.1088/1674-4527/acdfa5. ISSN  1674-4527.
  2. ^ Ломмен, Андреа Н. (13 ноября 2015 г.). «Pulsar Timing Arrays: the promise of Gravitational Wave Discovery». Reports on Progress in Physics . 78 (12): 124901. Bibcode : 2015RPPh...78l4901L. doi : 10.1088/0034-4885/78/12/124901. PMID  26564968. S2CID  42813343.
  3. ^ ab O'Callaghan, Jonathan (4 августа 2023 г.). «Фоновый „гул“ пронизывает Вселенную. Ученые спешат найти его источник — астрономы сейчас пытаются определить происхождение захватывающей новой формы гравитационных волн, о которой было объявлено ранее в этом году». Scientific American . Архивировано из оригинала 4 августа 2023 г. . Получено 5 августа 2023 г. . Астрономы сейчас пытаются определить происхождение захватывающей новой формы гравитационных волн, о которой было объявлено ранее в этом году.
  4. ^ Сажин, М.В. (1978). «Возможности обнаружения сверхдлинных гравитационных волн». Сов. Астрон. 22 : 36–38. Bibcode :1978SvA....22...36S.
  5. ^ Детвейлер, С. Л. (1979). «Измерения времени пульсаров и поиск гравитационных волн». Astrophysical Journal . 234 : 1100–1104. Bibcode : 1979ApJ...234.1100D. doi : 10.1086/157593.
  6. ^ Москвич, Катя (2020). Нейтронные звезды: поиски понимания зомби космоса. Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета. ISBN 9780674919358.
  7. ^ Хеллингс, РВ; Даунс, ГС (1983). «Верхние пределы изотропного гравитационного радиационного фона из анализа синхронизации пульсаров». Astrophysical Journal Letters . 265 : L39–L42. Bibcode : 1983ApJ...265L..39H. doi : 10.1086/183954 .
  8. ^ Романо, Джозеф Д.; Аллен, Брюс (30 января 2024 г.). «Ответы на часто задаваемые вопросы о кривой Хеллингса и Даунса для массива пульсаров». arXiv : 2308.05847v2 [gr-qc].
  9. ^ Jenet, Fredrick A.; Romano, Joseph D. (1 июля 2015 г.). «Понимание гравитационно-волновой кривой Хеллингса и Даунса для массивов синхронизации пульсаров с точки зрения звука и электромагнитных волн». American Journal of Physics . 83 (7): 635–645. arXiv : 1412.1142 . Bibcode :2015AmJPh..83..635J. doi :10.1119/1.4916358. S2CID  116950137.
  10. ^ Тейлор, Стивен Р. (2022). Астрономия наногерцовых гравитационных волн (Первое изд.). Группа Тейлора и Фрэнсиса: CRC Press. ISBN 9781003240648.
  11. ^ Фостер, RS; Бэкер, DC (1990). «Построение массива синхронизации пульсаров». Astrophysical Journal . 361 : 300–308. Bibcode : 1990ApJ...361..300F. doi : 10.1086/169195.
  12. ^ Антонелли, Марко; Монтоли, Алессандро; Пиццокеро, Пьер (ноябрь 2022 г.), «Взгляд на физику внутренностей нейтронных звезд из пульсарных сбоев», Астрофизика в XXI веке с компактными звездами , стр. 219–281, arXiv : 2301.12769 , doi : 10.1142/9789811220944_0007, ISBN 978-981-12-2093-7, S2CID  256390487
  13. ^ Антонелли, Марко; Басу, Авишек; Хаскелл, Бринмор (2023-02-07). «Стохастические процессы для шума синхронизации пульсаров: флуктуации внутренних и внешних моментов». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 520 (2): 2813–2828. arXiv : 2206.10416 . doi : 10.1093/mnras/stad256 . ISSN  0035-8711.
  14. ^ Хартнетт, Джон Г.; Лёйтен, Андре Н. (2011-01-07). «Коллоквиум: Сравнение астрофизических и наземных стандартов частоты». Reviews of Modern Physics . 83 (1): 1–9. arXiv : 1004.0115 . Bibcode :2011RvMP...83....1H. doi :10.1103/revmodphys.83.1. ISSN  0034-6861. S2CID  118396798.
  15. ^ Мингарелли, Кьяра. «В поисках гравитационных волн, которые LIGO не слышит». Scientific American Blog Network . Получено 25.02.2016 .
  16. ^ Сотрудничество NANOGrav (2016-02-19). «Интерпретация недавнего верхнего предела гравитационного волнового фона с помощью массива пульсаров Паркса». arXiv : 1602.06301 [astro-ph.IM].
  17. ^ Джоши, Бхал Чандра; Гопакумар, Ачамвиду; Пандиан, Арул; Прабу, Тиагарадж; Дей, Ланкешвар; Багчи, Манджари; Десаи, Шантану; Тарафдар, Пратик; Рана, Прерна; Маан, Йогеш; БАТРА, Нилам Дханда; Гиргаонкар, Рагхав; Агарвал, Никита; Арумугам, Парамасиван; Басу, Авишек (08.12.2022). «Астрономия наногерцовых гравитационных волн в эпоху SKA: взгляд InPTA». Журнал астрофизики и астрономии . 43 (2): 98. arXiv : 2207.06461 . Бибкод : 2022JApA...43...98J. doi : 10.1007/s12036-022-09869-w. ISSN  0973-7758. S2CID  250526806.
  18. ^ Тарафдар, Пратик; Ноблсон, К.; Рана, Прерна; Сингха, Джайкхомба; Кришнакумар, Массачусетс; Джоши, Бхал Чандра; Палади, Авинаш Кумар; Кольхе, Нил; Батра, Нилам Дханда; Агарвал, Никита; Батула, Адарш; Дандапат, Субхаджит; Десаи, Шантану; Дей, Ланкешвар; Хисано, Шинноске (январь 2022 г.). «Индийская система синхронизации пульсаров: первый выпуск данных». Публикации Астрономического общества Австралии . 39 : е053. arXiv : 2206.09289 . Бибкод : 2022PASA...39...53T. дои : 10.1017/pasa.2022.46. ISSN  1323-3580. S2CID  249889663.
  19. ^ Чжао, Вэнь; Чжан, Ян; Ю, Сяо-Пэн; Чжу, Зонг-Хун (2013-06-13). "Ограничения реликтовых гравитационных волн с помощью массивов пульсаров: прогнозы для проектов FAST и SKA". Physical Review D. 87 ( 12): 124012. arXiv : 1303.6718 . Bibcode : 2013PhRvD..87l4012Z. doi : 10.1103/physrevd.87.124012. ISSN  1550-7998. S2CID  55090406.
  20. ^ «IOPscience — В центре внимания 15-летний набор данных NANOGrav и гравитационно-волновой фон».
  21. ^ «Спустя 15 лет хронометраж пульсаров предоставил доказательства существования космического гравитационного волнового фона». 29 июня 2023 г.
  22. ^ Arzoumanian, Zaven; Baker, Paul T.; Blumer, Harsha; Bécsy, Bence; Brazier, Adam; Brook, Paul R.; Burke-Spolaor, Sarah; Chatterjee, Shami; Chen, Siyuan; Cordes, James M.; Cornish, Neil J.; Crawford, Fronefield; Cromartie, H. Thankful; Decesar, Megan E.; Demorest, Paul B. (2020-12-01). "Набор данных NANOGrav за 12,5 лет: поиск изотропного стохастического гравитационно-волнового фона". The Astrophysical Journal . 905 (2): L34. arXiv : 2009.04496 . Bibcode :2020ApJ...905L..34A. doi : 10.3847/2041-8213/abd401 . ISSN  0004-637X. S2CID  221586395.
  23. ^ О'Нил, Ян; Кофилд, Калла (11 января 2021 г.). «Поиск гравитационных волн находит новую заманчивую подсказку». NASA . Получено 11 января 2021 г. .
  24. ^ "15 лет радиоданных выявили доказательства шума пространства-времени". Лаборатория реактивного движения NASA . Получено 2023-06-30 .
  25. ^ Второй выпуск данных European Pulsar Timing Array III. Поиск сигналов гравитационных волн
  26. ^ "Ein neuer Zugang zum Universum" .
  27. ^ Синь, Лин (29 июня 2023 г.). «Китайская команда находит ключевые доказательства низкочастотных гравитационных волн с помощью телескопа FAST». scmp.com . South China Morning Post . Получено 1 июля 2023 г. .
  28. ^ «Исследование тайн Вселенной: ключевые доказательства существования гравитационных волн наногерцового диапазона». scitechdaily.com . Китайская академия наук. 2 июля 2023 г. . Получено 21 июля 2023 г. Недавно китайские ученые обнаружили ключевые доказательства существования гравитационных волн наногерцового диапазона, что ознаменовало новую эру в исследованиях гравитации наногерцового диапазона.
  29. ^ Рини, Маттео (июнь 2023 г.). «Исследователи захватывают гравитационно-волновой фон с помощью пульсарных «антенн»». Physics . 16 : 118. Bibcode :2023PhyOJ..16..118R. doi : 10.1103/Physics.16.118 . S2CID  260750773 . Получено 1 июля 2023 г. Четыре независимых коллектива обнаружили фон гравитационных волн, проходящий через нашу Галактику, что открывает новое окно в астрофизические и космологические процессы, которые могут создавать такие волны.

Внешние ссылки