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宇宙漣漪是什么樣的？最詳盡的引力波背景圖出爐(2)

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2025-05-16 15:51:45  科普中國

低頻引力波：怎么探測？

但問題是，低頻引力波的波長太長了，要探測這種引力波，我們需要一個與其波長相當?shù)奶綔y器。換句話說，我們需要的是一個覆蓋銀河系的超大探測器！對于現(xiàn)有的技術而言，這簡直就是天方夜譚，但天文學家卻找到了一個絕妙的解決辦法——脈沖星計時陣。

什么是脈沖星呢？簡單來說，脈沖星是一種高速旋轉的中子星，它們每秒可自轉數(shù)百次。它們就像宇宙中的“燈塔”，以極其穩(wěn)定的節(jié)奏向地球發(fā)射信號。這些信號的到達時間精準到納秒級，所以脈沖星可以被視為超精密的宇宙時鐘。

天文學家通過尋找分布在不同方向的脈沖星，利用它們之間的相對位置，構建了一個類似銀河系規(guī)模的脈沖星網絡。每顆脈沖星就像一個“探測點”，多個探測點協(xié)同工作，就相當于構建了一個銀河系級別的引力波探測器。

那么，如何利用這張“脈沖星網絡”來檢測引力波背景呢？

脈沖星計時陣。圖：M. Kramer / MPIfR / EPTA

當引力波穿過地球與脈沖星之間的空間時，會稍微拉伸或壓縮時空，從而使脈沖星信號到達地球的時間發(fā)生輕微的偏差。想象一下，一個超級穩(wěn)定的“宇宙時鐘”，它的時間變得稍微快了或慢了——這就是引力波留下的痕跡。

引力波背景的存在會導致脈沖星對之間的信號到達時間產生特定的相關性。這種相關性并不是憑空猜測出來的，而是由理論嚴格推導的。天文學家將這種模式繪制成一條叫做Hellings-Downs曲線的圖，它描述了不同方向的脈沖星對之間的時間延遲相關性如何隨著它們在天空中的夾角變化而變化。

這條曲線的特別之處在于，它與引力波的傳播方向無關，成為了檢測引力波背景的重要標準。如果觀測數(shù)據(jù)與Hellings-Downs曲線吻合，就意味著我們成功探測到了引力波背景。如果數(shù)據(jù)偏離這條曲線，那可能是觀測噪聲或其他干擾因素引起的，需要進一步驗證。

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