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引力波时代的中国射电天文
2016-05-09 14:59:00| 【 【打印】【关闭】

55日,中科院新疆天文台邀请北京大学科维里天文与天体物理所李柯伽研究员做了一场精彩的学术报告,内容是通过大口径射电望远镜利用脉冲星测时技术探测最近的科学明星——引力波。

李柯伽研究员作报告

依据引力波频率和探测目标源的不同,目前其探测方法主要有三种,分别是:通过宇宙微波背景测量;利用脉冲星测时测量;依靠空间和地面激光干涉仪测量。

新疆维吾尔自治区和中国科学院自十二五以来一直联合推进的110米口径全可动射电望远镜(简称QTT)项目,其主要科学目标之一正是利用脉冲星测时探测引力波。

基于大口径高灵敏度射电望远镜观测的脉冲星测时阵(Pulsar Timing Array, PTA)的探测目标是长周期持续性的引力波信号,其主要观测对象是星系超大质量双黑洞并合、宇宙暴涨残余及宇宙弦等产生的引力波。这个方法探测的引力波幅度更大,持续时间更长,探测距离更远,可以直接探测传统电磁波手段无法观测的宇宙。这为认识极早期宇宙性质及结构形成提供了重要的观测资料。此外,基于脉冲星测时阵的引力波探测技术还可以直接测量引力波的偏振特性和引力波速度,提供在引力辐射区检验引力理论的可能性,这是相对于当前其他引力波探测的重要优点。可以说,基于脉冲星测时阵的引力波探测技术是LIGO等项目的重要补充和有力竞争,是未来建立全波段引力波天文学的必经之路,是探索基本相互作用规律的利器。

不同引力波探测器的探测区间

国内引力波研究已有40多年的历程。如今,包括中山大学、北京大学、中国科学技术大学、北京师范大学等多所高校,中国科学院的国家天文台、新疆天文台、力学所国家微重力实验室等研究所台均有团组致力于引力波探测和理论研究,但遗憾的是我国尚未建成自己的引力波探测系统或装置。

新疆天文台脉冲星团组在利用脉冲星测时数据开展引力波探测研究方面多年前就进行了布局,与澳大利亚,美国、欧洲以及国内引力波研究团队密切交流,加入国际上多个引力波探测研究项目,近年来取得了一些很有显示度的研究成果。早在2006年,新疆天文台就与澳大利亚国立天文台、英国Jodrell Bank天文台签署了“澳大利亚-英国-中国脉冲星全球监测协议”(“ABC”协议),并通过该协议加入全球脉冲星测时阵(IPTA)合作。脉冲星团组王晶波副研究员参与澳大利亚国立天文台脉冲星测时阵(PPTA)计划,合作完成了一项引力波搜寻工作,利用毫秒脉冲星观测数据得到引力波背景辐射上限(见下图),成果发表Science上,被审稿人誉为“引力波天文学研究的里程碑”,去年他们取得更加严格的上限,成果同样发表在Science上。2014年新疆天文台与LIGO-VIRGO(激光干涉引力波天文台-Virgo引力波干涉仪)签署了“引力波源光学触发搜寻”协议。新疆天文台主办的“2015年新疆脉冲星和引力波暑期学校”吸引了高校和研究机构近100名学生和学者参加,表明我国在引力波天文学研究方面已经充分具备了学术基础。

PPTA引力波相对上限值与不同宇宙学模型预测值对比

参加新疆脉冲星和引力波暑期学校部分研究人员和学生合影

现有的国际脉冲星测时项目均依赖于世界上最大的一批射电望远镜。QTT和我国即将建成的FAST联手,比现有的测时项目PPTA、欧洲脉冲星测时阵(EPTA)和美国纳赫兹引力波项目(NANOGrav)灵敏度将提高至少3倍。QTT对于最终取得大量优秀的探测数据和引力波研究成果非常重要,例如QTT的高频段观测不仅将大大避免星际介质对精确测时的影响,同时QTT的全可动特点不仅可以观测更多的脉冲星,也保证了可以进行更长时间的连续观测。充分利用FASTQTT的优势来推动中国脉冲星测时阵列(CPTA)计划,将促进我国开启引力波时代的天文学研究,并有望获得重大科学突破。

新疆天文台台长、国家973项目《110米大口径全可动射电望远镜关键技术研究》首席科学家王娜表示,我们已经步入引力波天文学时代,然而要像传统电磁波方法使用全波段一样,完全打开引力波窗口可能需要几十年甚至更长的时间。通过多年研讨和论证,QTT科学目标凝练和关键技术研究已经基本成熟,我们完全有能力把QTT建设成为国际一流的科研装置,支撑我国天文学家在引力波探测等领域取得瞩目成果。

李柯伽为北京大学科维里天文与天体物理所研究员,获国家“百人计划”、“青年千人”项目支持。参与欧洲EPTA等若干脉冲星相关国际合作项目,是SKA项目脉冲星科学组年轻成员。共发表SCI论文60余篇,多次在国际会议上做邀请报告。他此次来疆,是充分利用“五一”假期,合作开发快速射电暴(FRB)观测系统。

作者:丁振

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