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從“太陽的後裔”雙白矮星探尋引力波(上)

天體物理學家廣泛地研究了恆星的演變過程,他們預測宇宙中的白矮雙星數量不在少數,僅在我們的銀河系中,估計的不接雙星數量有大約2.5億個,而相互纏繞的雙星數量有大約1000萬個。LISA探測器的靈敏性達到了能探測到數千個雙星系的程度,從數百萬個雙星系發出的引力波特別傳送到LISA探測器低頻率的範圍。

LISA接收了各類訊號,被彙集起來的訊號形成“雜七雜八”或未經篩選的背景源,很像在某個人聲嘈雜的晚會,每個參加晚會的人都在低聲或高聲地說話,人們可能聽得見周圍的人所談論的事情,但難以辨別較遠的人群談話的內容,所有參加晚會的人的談話聲匯合成了穩定的“背景噪音”,人們很難分辨每位晚會嘉賓發出的聲音。

如何從各種型別的噪音中分辨引力波的訊號?探測器自身產生了熱力學意義的噪音,而LISA一類探測器的靈敏度直接依賴於引力波進入的方向,但宇宙中的雙星系不是均勻地分佈在太空的各個區域。在一個晴朗的夜空,當不由自主地仰望星空時,人們可以看到“星星點燈”的佈置方式並不均衡,當天空足夠黑暗時,人們可以看到一條昏暗的帶狀物,它是我們的星系家園——銀河系的居所,恆星在條帶上的分佈密度要比在條帶以外的區域多了很多,作為星空仰望者的人類其實居住在銀河系的一個條帶。

銀河系是人類在其中生養休息的巨大星系,人類的技術文明達到了引力波探測的水平,人類的科學文明取得了個了不起的成就。太陽系只是銀河系的一個“小布點”,人們實際上無法預測在未來的數千、數萬、數十萬年,人類能否走出太陽系和銀河系。透過對仙女座星系的觀察,天文學家可以判斷銀河系的外形和結構,透過引力波的探測瞭解黑洞的合併,瞭解超新星的爆發和宇宙的誕生。

從“太陽的後裔”雙白矮星探尋引力波(上)

人們在夜晚的星空看到了銀河系的條帶,這反映了一個基本事實,太陽和地球實際上處在一個巨大螺旋形的銀河系之內,無論何時何地,當觀測銀河系的圓盤區域時,人們都看到了更多的恆星,當觀測遠離銀河系的圓盤區域時,人們只看到了更少的恆星。同樣,在銀河系雙星背景下的白矮星在太空的分佈不是均勻一致,它們集中地分佈在銀河系的圓盤區域。

eLISA圍繞太陽繞轉,它將尾隨我們地球的公轉軌跡,它的方向不停地變化,好像所有其它型別的引力波探測器,方向上的適時調整十分重要,在一個給定的方向上,能夠接收引力波訊號的LISA擁有更高的靈敏性,在其它給定的方向上,LISA的靈敏性更低。在訊號接收方向持續的變化中,可能出現某種時刻,LISA的靈敏性達到了極值,對準引力波的傳播方向的探測最有可能發現引力波,在銀河系不同區域發現白矮雙星的機會也最多。

LISA探測器的靈敏性與訊號的接收方向直接相關,它有的時候靈敏性高;有的時候靈敏性低,或從背景雙星系接收的訊號會導致更強的噪音,或會導致更弱的噪音,而噪音模式的特徵是一項關鍵性的指標,研究人員從中分辨出白矮星的噪聲背景,什麼是其它型別的噪聲?諸如:從探測器自身發出的噪聲。從白矮雙星背景發出的引力波將告訴人們什麼是有價值的資訊,首先,研究人員以此能夠繪製一幅準確的三維“地圖”,圖譜能反映銀河系白矮雙星的總體分佈,其中暗示了銀河系內總的恆星分佈。

其次,對恆星分佈的普查將包含有科學價值的資訊,為恆星演變提供了重要線索。白矮雙星在宇宙的分佈規律如何?結合雙星和不結合雙星的比率有多大?比率的大小是否與人們對雙星系形成方式的理解保持一致?。從白矮雙星的演變探測引力波,反之,引力波探測為白矮雙星研究開拓了新的途徑,好像LIGO國際合作團隊在引力波的發現中做到的一樣。不僅可以探測雙黑洞引力波,而且可以探測雙白矮星引力波。

從“太陽的後裔”雙白矮星探尋引力波(上)

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分類: 科學
時間: 2021-10-12

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