stringtranslate.com

Временная решетка пульсаров

Массив синхронизации пульсаров ( PTA ) — это набор галактических пульсаров , которые отслеживаются и анализируются для поиска коррелированных сигнатур во времени прибытия импульсов на Землю. По сути, они представляют собой детекторы галактического размера. Хотя существует множество применений для временных решеток пульсаров, наиболее известным из них является использование решетки миллисекундных пульсаров для обнаружения и анализа длинноволнового (т. е. низкочастотного) фона гравитационных волн . Такое обнаружение повлечет за собой детальное измерение сигнатуры гравитационной волны (ГВ), например, квадруполярной корреляции , вызванной ГВ [ уточнить ] между временем прибытия импульсов, излучаемых различными парами миллисекундных пульсаров, которая зависит только от углового расстояния между парами в небе. . Большие массивы могут быть лучше для обнаружения GW, поскольку квадрупольные пространственные корреляции, вызванные GW, могут быть лучше измерены гораздо большим количеством пар пульсаров. Благодаря такому обнаружению ГВ, системы синхронизации миллисекундных пульсаров откроют новое низкочастотное окно в гравитационно-волновой астрономии , позволяющее заглянуть в потенциальные древние астрофизические источники и процессы в ранней Вселенной , недоступные никакими другими способами. [1] [2]

Обзор

Пульсары П1...Пн периодически посылают сигналы, которые принимаются на Земле. Гравитационная волна (ГВ) возмущает пространство-время между пульсаром и Землей (Е) и изменяет время прихода импульсов. Измеряя пространственную корреляцию изменений параметров импульсов многих различных пар пульсаров, можно обнаружить ГВ.

Предложение использовать пульсары в качестве детекторов гравитационных волн (ГВ) первоначально было сделано Михаилом Сажиным [3] и Стивеном Детвейлером [4] в конце 1970-х годов. Идея состоит в том, чтобы рассматривать барицентр Солнечной системы и галактический пульсар как противоположные концы воображаемого рукава в космосе. Пульсар действует как эталонные часы на одном конце рукава, посылая регулярные сигналы, которые отслеживаются наблюдателем на Земле. Эффект проходящей длинноволновой ГВ должен был бы возмутить галактическое пространство-время и вызвать небольшое изменение наблюдаемого времени прихода импульсов. [5] : 207–209. 

В 1983 году Хеллингс и Даунс [6] распространили эту идею на группу пульсаров и обнаружили, что стохастический фон ГВ будет создавать характерную сигнатуру ГВ: квадруполярную пространственную корреляцию между временем прихода импульсов, излучаемых различными парами миллисекундных пульсаров , которая зависит только об угловом разделении пары на небе, если смотреть с Земли (фактически барицентр Солнечной системы). Ключевым свойством временной решетки пульсаров является то, что сигнал от стохастического фона GW будет коррелирован по линиям обзора пар пульсаров, а сигнал от других шумовых процессов — нет. [7] В литературе такая пространственная корреляционная кривая называется кривой Хеллингса-Даунса или функцией уменьшения перекрытия. [8]

Чувствительность работы Хеллингса и Даунса была ограничена точностью и стабильностью пульсарных часов в группе. После открытия в 1982 году более стабильного миллисекундного пульсара Фостер и Бэкер [9] улучшили чувствительность к гравитационным волнам, применив в 1990 году анализ Хеллингса-Даунса к массиву высокостабильных миллисекундных пульсаров, и инициировали «программу временного массива пульсаров», чтобы наблюдать три пульсара с помощью 43-метрового телескопа Национальной радиоастрономической обсерватории .

Миллисекундные пульсары используются потому, что они не подвержены звездотрясениям и сбоям , [10] событиям аккреции или стохастическим временным шумам [11] , которые могут повлиять на период классических пульсаров. Миллисекундные пульсары обладают стабильностью, сравнимой со стандартами времени, основанными на атомных часах, при усреднении за десятилетия. [12]

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

ГВ приводят к тому, что время прихода импульсов меняется на несколько десятков наносекунд в зависимости от их длины волны (так, для частоты 3 x 10 -8 Гц, одного цикла в год, можно было бы обнаружить, что импульсы приходят через 20 нс в начале июля. и 20 нс в конце января). Это деликатный эксперимент, хотя миллисекундные пульсары являются достаточно стабильными часами, поэтому время прихода импульсов можно предсказать с необходимой точностью; в экспериментах используются коллекции от 20 до 50 пульсаров для учета эффектов дисперсии в атмосфере и пространстве между наблюдателем и пульсаром. Мониторить каждый пульсар необходимо примерно раз в неделю; более высокая частота наблюдений позволила бы обнаружить более высокочастотные ГВ, но неясно, будут ли на таких частотах достаточно громкие астрофизические источники.

С помощью этого метода невозможно получить точные местоположения источников на небе, поскольку анализ времени двадцати пульсаров приведет к появлению области неопределенности в 100 квадратных градусов – участка неба размером с созвездие Щита, который будет содержать по меньшей мере тысячи о слиянии галактик.

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

Некоторые сверхмассивные двойные черные дыры могут образовывать стабильную двойную систему и сливаться только после того, как возраст Вселенной во много раз превысит текущий возраст. Это называется финальной задачей парсека . Неясно, как сверхмассивные черные дыры приближаются друг к другу на таком расстоянии.

Хотя сверхмассивные двойные черные дыры являются наиболее вероятным источником очень низкочастотных ГВ, волны могут генерироваться и другими источниками, такими как космические струны , которые могли сформироваться на ранних этапах истории Вселенной. Когда космические струны взаимодействуют, они могут образовывать петли, которые распадаются, излучая ГВ. [13] [14]

Действующие и предлагаемые PTA

В мире существует пять активных проектов создания временных решеток пульсаров. Первые три проекта (PPTA, EPTA и NANOGrav) начали сотрудничать под названием « Международный проект Pulsar Timing Array» , InPTA стал его членом в 2021 году. Недавно Китай также стал активным, хотя еще не является полноправным членом IPTA.

  1. Система синхронизации пульсаров Паркса (PPTA) на радиотелескопе Паркс собирает данные с 2005 года.
  2. Европейская система синхронизации пульсаров (EPTA) собирает данные с 2009 года; он использует пять крупнейших радиотелескопов Европы:
  3. Североамериканская наногерцовая обсерватория гравитационных волн (НАНОГрав) использует данные, собранные с 2005 года с радиотелескопов Аресибо и Грин-Бэнк .
  4. Индийская система синхронизации пульсаров (InPTA) использует модернизированный гигантский радиотелескоп Metrewave . [15] [16]
  5. Китайская система синхронизации пульсаров (CPTA) использует сферический радиотелескоп с пятисотметровой апертурой (FAST). [17]
  6. MeerKAT Pulsar Timing Array (MPTA), часть MeerTime, крупного исследовательского проекта MeerKAT . Целью MPTA является точное измерение времени прихода импульсов от ансамбля из 88 пульсаров, видимых в южном полушарии, с целью внести вклад в поиск, обнаружение и изучение гравитационных волн наногерцовой частоты в рамках Международной системы синхронизации пульсаров .

Наблюдения

График корреляции между пульсарами, наблюдаемыми NANOGrav (2023), в зависимости от углового расстояния между пульсарами по сравнению с теоретической моделью (пунктирный фиолетовый или кривая Хеллингса-Даунса ) и при отсутствии фона гравитационных волн (сплошной зеленый) [18] [19]

В 2020 году коллаборация НАНОГрав представила данные за 12,5 лет, которые включали в себя убедительные доказательства степенного стохастического процесса с общей амплитудой деформации и спектральным индексом для всех пульсаров, но статистически неубедительные данные для критической квадруполярной пространственной корреляции Хеллингса-Даунса. [20] [21]

В июне 2023 года NANOGrav , EPTA , PPTA и InPTA объявили, что нашли доказательства гравитационно-волнового фона . Данные NANOGrav по 68 пульсарам за 15 лет позволили впервые измерить характерную кривую Хеллингса-Даунса, характерную квадруполярную характеристику гравитационных волн. [22] Аналогичные результаты были опубликованы European Pulsar Timing Array, которая заявила о -значимости, стандарте доказательств. Они ожидают, что -значимость, стандарт обнаружения, будет достигнут примерно к 2025 году за счет объединения измерений нескольких коллабораций. [23] [24] Также в июне 2023 года китайская система синхронизации пульсаров (CPTA) сообщила об аналогичных результатах с -значимостью ; они наблюдали за 57 миллисекундными пульсарами всего за 41 месяц, воспользовавшись высокой чувствительностью FAST , крупнейшего в мире радиотелескопа. [25] [26] Четыре независимых коллаборации, сообщившие о схожих результатах, обеспечили перекрестную проверку доказательств существования GWB с использованием разных телескопов, разных массивов пульсаров и разных методов анализа. [27] Источники гравитационно-волнового фона не могут быть идентифицированы без дальнейших наблюдений и анализа, хотя двойные системы сверхмассивных черных дыр являются ведущими кандидатами. [2]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Ломмен, Андреа Н. (13 ноября 2015 г.). «Массивы синхронизации пульсаров: перспективы обнаружения гравитационных волн». Отчеты о прогрессе в физике . 78 (12): 124901. Бибкод : 2015РПФ...78л4901Л. дои : 10.1088/0034-4885/78/12/124901. PMID  26564968. S2CID  42813343.
  2. ↑ Аб О'Каллаган, Джонатан (4 августа 2023 г.). «Фоновый «гул» пронизывает Вселенную. Ученые спешат найти его источник. Сейчас астрономы пытаются определить происхождение захватывающей новой формы гравитационных волн, о которой было объявлено ранее в этом году». Научный американец . Архивировано из оригинала 4 августа 2023 года . Проверено 5 августа 2023 г. Сейчас астрономы пытаются определить происхождение новой захватывающей формы гравитационных волн, о которой было объявлено ранее в этом году.
  3. ^ Сажин, М.В. (1978). «Возможности обнаружения сверхдлинных гравитационных волн». Сов. Астрон. 22 : 36–38. Бибкод : 1978СвА....22...36С.
  4. ^ Детвейлер, С.Л. (1979). «Измерения времени пульсаров и поиск гравитационных волн». Астрофизический журнал . 234 : 1100–1104. Бибкод : 1979ApJ...234.1100D. дои : 10.1086/157593.
  5. ^ Москвич, Катя (2020). Нейтронные звезды. В поисках понимания зомби космоса. Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета. ISBN 9780674919358.
  6. ^ Хеллингс, RW; Даунс, Г.С. (1983). «Верхние пределы фона изотропного гравитационного излучения на основе анализа времени пульсаров». Письма астрофизического журнала . 265 : L39–L42. Бибкод : 1983ApJ...265L..39H. дои : 10.1086/183954 .
  7. ^ Дженет, Фредрик А.; Романо, Джозеф Д. (1 июля 2015 г.). «Понимание гравитационно-волновой кривой Хеллингса и Даунса для временных решеток пульсаров с точки зрения звуковых и электромагнитных волн». Американский журнал физики . 83 (7): 635–645. arXiv : 1412.1142 . Бибкод : 2015AmJPh..83..635J. дои : 10.1119/1.4916358. S2CID  116950137.
  8. ^ Тейлор, Стивен Р. (2022). Астрономия наногерцовых гравитационных волн (Первое изд.). Группа Тейлора и Фрэнсиса: CRC Press. ISBN 9781003240648.
  9. ^ Фостер, RS; Бэкер, округ Колумбия (1990). «Построение временной решетки пульсаров». Астрофизический журнал . 361 : 300–308. Бибкод : 1990ApJ...361..300F. дои : 10.1086/169195.
  10. ^ Антонелли, Марко; Монтоли, Алессандро; Пиццочеро, Пьер (ноябрь 2022 г.), «Взгляд на физику внутренностей нейтронных звезд на основе сбоев пульсаров», 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
  11. ^ Антонелли, Марко; Басу, Авишек; Хаскелл, Бринмор (07 февраля 2023 г.). «Стохастические процессы для временного шума пульсаров: флуктуации внутреннего и внешнего моментов». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 520 (2): 2813–2828. arXiv : 2206.10416 . doi : 10.1093/mnras/stad256. ISSN  0035-8711.
  12. ^ Хартнетт, Джон Г.; Люитен, Андре Н. (7 января 2011 г.). «Коллоквиум: Сравнение астрофизических и земных стандартов частоты». Обзоры современной физики . 83 (1): 1–9. arXiv : 1004.0115 . Бибкод : 2011РвМП...83....1H. doi :10.1103/revmodphys.83.1. ISSN  0034-6861. S2CID  118396798.
  13. ^ Мингарелли, Кьяра. «В поисках гравитационных волн, которые LIGO не слышит». Сеть блогов Scientific American . Проверено 25 февраля 2016 г.
  14. ^ Сотрудничество NANOGrav (19 февраля 2016 г.). «Интерпретация недавнего верхнего предела фона гравитационных волн на основе временной матрицы пульсаров Паркса». arXiv : 1602.06301 [astro-ph.IM].
  15. ^ 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.
  16. ^ 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.
  17. ^ Чжао, Вэнь; Чжан, Ян; Ты, Сяо-Пэн; Чжу, Цзун-Хонг (13 июня 2013 г.). «Ограничения реликтовых гравитационных волн временными решетками пульсаров: прогнозы для проектов FAST и SKA». Физический обзор D . 87 (12): 124012. arXiv : 1303.6718 . Бибкод : 2013PhRvD..87l4012Z. doi : 10.1103/physrevd.87.124012. ISSN  1550-7998. S2CID  55090406.
  18. ^ «IOPscience - Сосредоточьтесь на 15-летнем наборе данных NANOGrav и фоне гравитационных волн» .
  19. ^ «Спустя 15 лет определение времени пульсаров свидетельствует о наличии фона космических гравитационных волн» . 29 июня 2023 г.
  20. ^ Арзуманян, Завен; Бейкер, Пол Т.; Блумер, Харша; Бечи, Бенс; Брейзер, Адам; Брук, Пол Р.; Берк-Сполаор, Сара; Чаттерджи, Шами; Чен, Сиюань; Кордес, Джеймс М.; Корниш, Нил Дж.; Кроуфорд, Фронфилд; Кромарти, Х. Благодарный; Децесар, Меган Э.; Деморест, Пол Б. (01 декабря 2020 г.). «Набор данных NANOGrav за 12,5 лет: поиск изотропного стохастического гравитационно-волнового фона». Астрофизический журнал . 905 (2): Л34. arXiv : 2009.04496 . Бибкод : 2020ApJ...905L..34A. дои : 10.3847/2041-8213/abd401 . ISSN  0004-637X. S2CID  221586395.
  21. ^ О'Нил, Ян; Кофилд, Калла (11 января 2021 г.). «Поиск гравитационных волн нашел новую заманчивую подсказку». НАСА . Проверено 11 января 2021 г.
  22. ^ «15 лет радиоданных свидетельствуют о пространственно-временном шуме» . Лаборатория реактивного движения НАСА . Проверено 30 июня 2023 г.
  23. ^ Второй выпуск данных из Европейской системы синхронизации пульсаров III. Поиск сигналов гравитационных волн
  24. ^ "Ein neuer Zugang zum Universum" .
  25. ↑ Синь, Линг (29 июня 2023 г.). «Китайская команда нашла ключевые доказательства существования низкочастотных гравитационных волн с помощью телескопа FAST». scmp.com . Южно-Китайская Морнинг Пост . Проверено 1 июля 2023 г.
  26. ^ «Исследование тайн Вселенной: ключевые доказательства существования гравитационных волн наногерц» . scitechdaily.com . Китайская академия наук. 2 июля 2023 г. Проверено 21 июля 2023 г. Китайские ученые недавно нашли ключевые доказательства существования гравитационных волн наногерца, ознаменовав новую эру в гравитационных исследованиях наногерца.
  27. ^ Рини, Маттео (июнь 2023 г.). «Исследователи фиксируют гравитационно-волновой фон с помощью «антенн» пульсара». Физика . 16 : 118. Бибкод : 2023PhyOJ..16..118R. дои : 10.1103/Физика.16.118 . S2CID  260750773 . Проверено 1 июля 2023 г. Четыре независимых коллаборации обнаружили фон гравитационных волн, проходящих через нашу Галактику, открыв новое окно в астрофизические и космологические процессы, которые могут создавать такие волны.

Внешние ссылки