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一位對脈沖業內者對脈沖星的描繪。

(圖片來源:宇航局戈達德太空飛行中心)

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

天文學家希望利用散布在銀河周圍的脈沖星作為巨大的引力波探測器。我們為什么需要它們，又如何利用它們工作呢?

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

在地球上，我們已經開發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，但會產生如此巨大的信號，我們得以探測到。 (“巨大”在這里是一個相對的詞;由通過的波引起的畸變小于原子核的寬度。)

地面探測器發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地球。并且它來自大黑洞的合并，它們比小黑洞合并的時間要長得多。探測器從靈敏度、長時間跨度內測量微小的差異未具備條件。為此，需要一個更大的探測器。

我們利用遙遠的脈沖星來協助測量引力波，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子。電荷旋轉會產生難以置信的強磁場——在某些情況下，是宇宙中最強大的磁場。

強磁場也會產生強電場。它們一起為從磁極向各個方向發射的輻射束提供能量（如果你在這里感受到死星的振動，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。當這些光束穿過地球時，我們看到了無線電發射的周期性閃光，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，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。

計時陣列依賴于脈沖星的一個子集，即毫秒脈沖星，顧名思義，它的旋轉周期為幾毫秒。天文學家認為，毫秒脈沖星是“蘇醒的”脈沖星，在伴星墜落的物質加速后，它們的旋轉速度達到了令人難以置信的速度，就像大人推著孩子上學校里的旋轉木馬一樣。由于毫秒脈沖星的速度驚人，它們可以在很長的時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疑是完美的引力波探測器。

陣列定時

以下是它的工作原理。首先，天文學家觀察盡可能多的毫秒脈沖星的自轉周期。如果引力波經過地球、脈沖星甚至我們之間，它同時將改變地球和脈沖星之間的距離。隨著波的移動，脈沖星的距離也會時遠時近，以此類推，直到波繼續移動。

在我們看來，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得有點太早；那么另一個可能會來得有點晚。一個典型的引力波，時間的變化非常微小，每幾個月才10或20納秒。但對毫秒脈沖星的測量已經足夠靈敏，至少理論上可以檢測到這些變化。

“脈沖星計時陣列”的“陣列”部分來自于同時研究許多脈沖星并尋找相關運動：如果引力波經過空間的一個區域，那么該方向的所有脈沖星的計時一致。幾十年來，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陣列。到目前為止，他們的成功很有限，發現了各種脈沖星的時間變化，但沒有發現相關性的跡象。每年，技術都在進步，希望很快，這些陣列就能解開宇宙引力波的大部分。

BY:Paul Sutter

FY:jane

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