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太阳系的重心在哪里?利用黑洞引力波,或将能够精确到100米
发布时间:2021-12-02     作者:   来源:科普中国   分享到:

当人类从伽利略时代用肉眼观察天象,过渡到使用望远镜观察星空时,对夜空和我们在宇宙中位置的理解开始了革命性变化。四百年后的现代,科学家们通过搜索引力波,在对黑洞的认识上也经历了类似的转变。在寻找比太阳大数十亿倍以前未被探测到的黑洞过程中,美国宇航局喷气推进实验室(JPL)的物理学和天文学助理教授、前天文学家斯蒂芬·泰勒与北美引力波纳赫兹天文台(NANOGrav)合作。

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通过寻找太阳系重心的精确位置,来确定这些黑洞引力波的存在,从而推动了研究领域的向前发展,其研究发现发表在《天体物理学》期刊上。黑洞是一类特殊的天体,也是由极度扭曲时空形成的纯引力区域。找到潜伏在星系中心的黑洞将有助于我们了解这些星系(包括我们所在的银河系),自形成以来数十亿年来是如何成长和演化的,这些黑洞也是检验物理学基本假设无与伦比的天然实验室。

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引力波是爱因斯坦广义相对论预言时空中的涟漪,当黑洞成对围绕彼此运行时,它们会辐射引力波,使时空变形,拉伸和压缩空间。2015年,激光干涉仪引力波天文台(LIGO)首次探测到引力波,为宇宙中最极端物体的研究打开了新视野。激光干涉仪引力波天文台通过测量4公里长探测器形状的变化,观测相对较短的引力波,而引力波纳赫兹天文台,一个国家科学基金会(NSF)物理前沿中心,将寻找我们整个星系形状的变化。

太阳系的重心

研究团队正在寻找脉冲星定期闪光无线电波到达速率的变化,这些脉冲星是快速旋转的中子星,有些速度和厨房搅拌机一样快。同时这些中子星还发出无线电波波束,当这些波束扫过地球时,看起来就像星际灯塔。收集超过15年的数据表明,这些脉冲星的脉冲到达速率极其可靠,是出色的标准星系时钟。任何与这些脉冲星相关的时间偏差,都可能表明引力波扭曲了时空。

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利用在银河系中观测到的脉冲星,研究人员正试图像一只蜘蛛一样静静地坐在她的网中间,对太阳系重心的了解程度至关重要,因为试图感觉到网络上哪怕是最微小波动的刺激感,在网中的太阳系重心,是所有行星、卫星和小行星质量平衡的位置。那么太阳系重心在哪里,太阳系中绝对静止的位置?并不像许多人认为的那样位于太阳中心。

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相反,太阳系重心更接近太阳的表面,这是由于木星质量和我对其轨道的不完全了解。木星绕太阳一周需要12年,略低于NANOGrav一直在收集数据的15年。喷气推进实验室的伽利略探测器在1995年至2003年间研究了木星,但经历了影响任务期间测量质量的技术故障。长期以来,识别太阳系重心一直是通过多普勒跟踪数据来计算,以获得对围绕太阳运行天体的位置和轨迹的估计。喷气推进实验室天文学家兼合著者乔·西蒙解释说:

为精确100米而努力

问题是,质量和轨道上的误差将转化为脉冲星计时制品,很可能看起来像引力波。研究发现,使用现有太阳系模型来分析NANOGrav数据得出的结果不一致,在太阳系模型之间的引力波搜索中,没有检测到任何重要的东西,但在计算中得到了很大的系统差异,喷气推进实验室天文学家和研究的主要作者米歇尔·瓦利斯内里(Michele Vallisneri)指出:通常,数据越多,结果越精确,但我们的计算中始终存在偏移量。

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所以研究短腿决定在探测引力波的同时,探测太阳系的重心,研究人员在寻找引力波方面得到了更有力的答案,并能够更准确地将太阳系重心精确到100米以内,如果太阳有足球场那么大,那么100米就是一根头发的直径。对散布在银河系中脉冲星的精确观测,比以往任何时候都更好地定位了我们我们在宇宙中的位置。通过这种方式发现引力波,再加上其他实验,将对宇宙中所有不同类型的黑洞都有了更全面的了解。

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