中国脉冲星计时阵合作组的发展历程及其对纳赫兹引力波探测的进展

作者: 胥恒, 李柯伽

来源: 中国物理学会期刊网

发布日期: 2024-08-29 10:57:29

文章详细介绍了中国脉冲星计时阵合作组(CPTA)的发展历程、观测数据情况及其在纳赫兹引力波探测方面的进展。CPTA利用中国“天眼”FAST射电望远镜进行高精度脉冲星计时观测,旨在直接探测纳赫兹引力波。文章还讨论了CPTA对引力波背景强度和谱形的测量,以及对引力波探测关键证据HD曲线的探测,展示了CPTA在国际引力波探测领域的贡献和未来展望。

2016年,激光干涉引力波天文台(LIGO)宣布探测到两个恒星级质量黑洞合并产生的百赫兹引力波,由此打开了引力波天文学时代的序幕。在经过数十年的努力之后,2023年6月,包括中国在内的国际上多个脉冲星计时阵合作组也宣布对宇宙的低频交响——纳赫兹引力波的搜寻取得重要进展。

文章将介绍这几个合作组之一——中国脉冲星计时阵合作组的发展历程、观测与数据情况,以及其在纳赫兹引力波探测的进展,最后讨论对未来的展望。

纳赫兹引力波是近几十年来天体物理的前沿领域,探测纳赫兹引力波是国际天体物理领域的竞赛焦点之一,全球多个国家和地区都深度参与其中。利用射电望远镜观测一组高精度毫秒脉冲星——脉冲星计时阵(pulsar timing array,PTA),是直接探测纳赫兹引力波的唯一技术手段。探测引力波需要极高精度的脉冲星计时数据,而达到引力波探测所需的计时精度又仅能依靠大口径的射电望远镜。

在FAST建成即将投入使用之际,从2019年4月起,FAST开展了一系列实验性质的高精度脉冲星计时观测,最终获得的观测数据质量极高,增强了使用FAST探测纳赫兹引力波的信心。在同年6月,中国科学院启动了引力波探测预研究。2019年9月CPTA正式成立,这一合作组主要包括了中国科学院国家天文台、北京大学等国内数十个科研单位和高校的多位研究人员。

CPTA的首要科学目标是使用中国的射电望远镜观测脉冲星从而直接探测到纳赫兹引力波。

纳赫兹引力波的探测需要长期高精度地观测大量的毫秒脉冲星。CPTA现阶段进行的脉冲星计时观测主要使用的大型望远镜是位于中国贵州省平塘县的现存世界上最大的单口径射电望远镜——中国“天眼”FAST。CPTA项目最早于2019年4月获得观测数据,本文涉及的引力波探测所使用的数据集的截止日期为2022年10月1日0点,整体时间跨度长达3年零5个月。

CPTA合作组使用DR1数据对引力波信号进行了分析。以下分两个部分阐述对于纳赫兹随机引力波背景(GWB,本文讨论的引力波探信号除非特别说明,均指GWB)强度和谱形的测量,以及对引力波探测关键证据HD曲线的探测,相关分析均使用了42++软件。

纳赫兹引力波天文学研究方兴未艾。随着几个PTA合作组的脉冲星观测持续开展以及计时数据的积累,将会获得越来越高的引力波探测灵敏度,纳赫兹引力波观测宇宙的窗口将被逐渐打开。而物理学家已经逐渐开始基于这些观测去研究宇宙,纳赫兹引力波天文学正迎来研究热潮。

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