科学家试图找到连续引力波的宇宙X射线标志

2022年06月24日 16:44 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

在过去几年时间里里,天文学家取得了一个令人难以置信的里程碑:探测到了引力波,这是宇宙中一些最灾难性的事件在空间和时间结构中产生的微弱涟漪,包括黑洞和中子星之间的碰撞。到目前为止,已有90多个引力波探测到这种事件,可观察到的时间则只有~0.1到100秒。

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连续引力波应该更容易被探测到,因为跟来自紧凑物体碰撞的信号相比,它们的持续时间要长很多。连续波的一个可能来源是中子星,它是大质量恒星的超新星爆炸后留下的恒星“尸体”。在最初的爆炸之后,恒星向自身坍缩,然后将原子压成一个被称为“中子”的超密集亚原子粒子球--因此被称为“中子星”。由于连续波信号跟中子星的旋转速度有关,于是使用更多的常规望远镜对自旋频率进行精确测量将大大增加探测这些难以捉摸的波的机会。

在最近的一项研究中,由来自莫纳什大学的OzGrav博士生Shanika Galaudage领导的研究团队试图确定中子星的旋转频率,以此来帮助探测连续引力波。

连续引力波的可能来源

在这项研究中,科学家假设连续引力波间接来自于物质从低质量伴星逐渐积累到中子星上--这些由中子星和伴星组成的双星系统被称为低质量X射线双星(LMXBs)。

如果中子星能保持一个累积的物质“山”,(即使只有几厘米高),那么它也将产生连续的波。这些波的频率跟中子星的旋转速度有关。积累这种物质的速度越快,“山”就越大,产生更大的连续波。积累这种物质越快的系统在X射线光下也就越亮。因此,最亮的LMXBs是最有希望探测到连续波的目标。

Scorpius X-1 (Sco X-1)和Cygnus X-1(Cyg X-2)是两个最亮的LMXB系统--跟太阳相比,Sco X-1的X射线亮度排名第二。除了它们的极端亮度之外,科学家们还对这两个LMXB系统有很多了解,这使它们成为研究连续波的理想来源。但它们的自旋频率仍是未知的。

研究负责人Shanika Galaudage说道:“我们可以确定这些中子星旋转速度的一个方法是通过搜索X射线脉。来自中子星的X射线脉冲就像宇宙的灯塔。如果我们能确定脉冲的时间,我们将立即能揭示它们的旋转频率并更接近于探测到连续的引力波信号。”

“Sco X-1是我们对连续引力波进行首次探测的最佳前景之一,但这是一个非常困难的数据分析问题,”来自澳大利亚国立大学的OzGrav研究员和论文共同作者Karl Wette说道,“在X射线数据中找到一个自旋频率就像在引力波数据上照出一个聚光灯。‘这里,这是我们应该寻找的地方’。然后,Sco X-1将成为探测连续引力波的红人。”

搜索X射线脉动

研究小组对Sco X-1和Cyg X-2的X射线脉冲进行了搜索。他们处理了由Rossi X-ray Timing Explorer仪器收集的超1000小时的X射线数据。这项搜索在OzSTAR超级计算机上总共使用了大约500小时的计算时间。

然而遗憾的是,这项研究没有发现来自这些LMXB源的脉动的任何明确证据。这可能有很多原因:LMXB可能有弱的磁场,其力量不足以支持可探测的脉冲;也可能是脉冲随着时间的推移而出现和消失,这将使它们难以被探测到。就Sco X-1而言,它可能是一个黑洞,所以不应期望它产生X射线脉动。

这项研究确实找到了这些X射线脉动如果真的发生会有多亮的最佳限制,但这些结果也可能意味着中子星在其强大的引力下无法维持物质山。未来的研究可以通过采用更好的搜索技术和更敏感的数据从而在这项研究的基础上更进一步。

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