尋找引力波的新方法

2021-01-21 量子認知

發表在今天的《物理評論通訊》上一篇新論文報導了一種尋找引力波的新技術，基於將高頻重力波（範圍從兆赫茲到千兆赫茲）轉換為無線電波的技術。這種轉換在磁場的存在下發生，並使來自早期宇宙的被稱為宇宙微波背景的遺蹟輻射扭曲，宇宙輻射貫穿整個宇宙。

研究發現，這種變化是由用射電望遠鏡獲得的宇宙微波背景數據推導出來的，可用於搜索宇宙源產生的高頻引力波，例如黑暗期甚至更遠的宇宙源。黑暗期指氫原子形成到第一批恆星照亮宇宙之間的時間。

如圖所示EDGES射電望遠鏡。EDGES射電望遠鏡（EDGES radio telescope）是一項開創性的地面試驗，該試驗對全球紅移21釐米信號設定了限制。將該天線和儀器調諧到100-200 MHz的範圍，旨在探測再電離時期（13> z> 6）的21釐米信號。

再電離時期（Epoch of Reionization，縮寫EoR）是在大爆炸宇宙學的黑暗期之後，宇宙中物質再電離的過程，並且是宇宙中氣體的兩次主要相變中的第二次。當主要的重子物質成為氫的形式，再電離通常指的是氫氣體的電離。宇宙原生的氦也經歷過相同的相變，但在宇宙歷史上是不同的點，並且通常會稱為氦再電離。

研究人員解釋說，「這些高頻引力波轉換成無線電波的機率很小，但是我們通過使用一個巨大的探測器宇宙來抵消這些機率。」 「宇宙微波背景為轉換為無線電波的高頻引力波的振幅提供了上限。這些高頻波超出了雷射幹涉儀LIGO、Virgo和KAGRA的範圍。

研究使用兩個射電望遠鏡的宇宙微波背景測量得出了兩個這樣的上限：氣球載ARCADE 2儀器和位於西澳大利亞州默奇森射電天文臺的EDGES望遠鏡。研究人員發現，對於從當前天文數據確定的最弱的宇宙磁場，EDGES測量會導致10^12分之一的最大振幅出現在重力波中，其頻率約為78 MHz，而ARCADE 2測量得出10^14的一個部分的最大振幅在3-30 GHz的頻率下。為了獲得儘可能強的宇宙磁場，這些界限要更嚴格-10^21（EDGES）的一部分和10^24（ARCADE 2）的一部分，比現有的基於實驗室的實驗得出的當前界限要嚴格七個數量級。

研究人員表示，來自下一代無線電望遠鏡的數據，例如平方公裡陣列，以及改進的數據分析，應該進一步加強這些界限，甚至可能檢測到來自黑暗時代和更早宇宙時代的引力波。

參考：Potential of Radio Telescopes as High-Frequency Gravitational Wave Detectors, Physical Review Letters(2021). https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.021104

#引力波#

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