太陽系的重心在哪裡？利用黑洞引力波，或將能夠精確到100米！

2020-10-18 博科園

當人類從伽利略時用肉眼觀察天象，過渡到使用望遠鏡觀察星空時，對夜空和我們在宇宙中位置的理解開始了革命性變化。四百年後的現代，科學家們通過搜索引力波，在對黑洞的認識上也經歷了類似的轉變。在尋找比太陽大數十億倍以前未被探測到的黑洞過程中，美國宇航局噴氣推進實驗室(JPL)的物理學和天文學助理教授、前天文學家史蒂芬·泰勒與北美引力波納赫茲天文臺(NANOGrav)合作。

通過尋找太陽系重心的精確位置，來確定這些黑洞引力波的存在，從而推動了研究領域的向前發展，其研究發現發表在《天體物理學》期刊上。黑洞是一類特殊的天體，也是由極度扭曲時空形成的純引力區域。找到潛伏在星系中心的黑洞將有助於我們了解這些星系（包括我們所在的銀河系），自形成以來數十億年來是如何成長和演化的，這些黑洞也是檢驗物理學基本假設無與倫比的天然實驗室。

引力波是愛因斯坦廣義相對論預言時空中的漣漪，當黑洞成對圍繞彼此運行時，它們會輻射引力波，使時空變形，拉伸和壓縮空間。2015年，雷射幹涉儀引力波天文臺(LIGO)首次探測到引力波，為宇宙中最極端物體的研究打開了新視野。雷射幹涉儀引力波天文臺通過測量4公裡長探測器形狀的變化，觀測相對較短的引力波，而引力波納赫茲天文臺，一個國家科學基金會(NSF)物理前沿中心，將尋找我們整個星系形狀的變化。

太陽系的重心

研究團隊正在尋找脈衝星定期閃光無線電波到達速率的變化，這些脈衝星是快速旋轉的中子星，有些速度和廚房攪拌機一樣快。同時這些中子星還發出無線電波波束，當這些波束掃過地球時，看起來就像星際燈塔。收集超過15年的數據表明，這些脈衝星的脈衝到達速率極其可靠，是出色的標準星系時鐘。任何與這些脈衝星相關的時間偏差，都可能表明引力波扭曲了時空。

利用在銀河系中觀測到的脈衝星，研究人員正試圖像一隻蜘蛛一樣靜靜地坐在她的網中間，對太陽系重心的了解程度至關重要，因為試圖感覺到網絡上哪怕是最微小波動的刺激感，在網中的太陽系重心，是所有行星、衛星和小行星質量平衡的位置。那麼太陽系重心在哪裡，太陽系中絕對靜止的位置？並不像許多人認為的那樣位於太陽中心。

相反，太陽系重心更接近太陽的表面，這是由於木星質量和我對其軌道的不完全了解。木星繞太陽一周需要12年，略低於NANOGrav一直在收集數據的15年。噴氣推進實驗室的伽利略探測器在1995年至2003年間研究了木星，但經歷了影響任務期間測量質量的技術故障。長期以來，識別太陽系重心一直是通過都卜勒跟蹤數據來計算，以獲得對圍繞太陽運行天體的位置和軌跡的估計。噴氣推進實驗室天文學家兼合著者喬·西蒙解釋說：

為精確100米而努力

問題是，質量和軌道上的誤差將轉化為脈衝星計時製品，很可能看起來像引力波。研究發現，使用現有太陽系模型來分析NANOGrav數據得出的結果不一致，在太陽系模型之間的引力波搜索中，沒有檢測到任何重要的東西，但在計算中得到了很大的系統差異，噴氣推進實驗室天文學家和研究的主要作者米歇爾·瓦利斯內裡(Michele Vallisneri)指出：通常，數據越多，結果越精確，但我們的計算中始終存在偏移量。

所以研究短腿決定在探測引力波的同時，探測太陽系的重心，研究人員在尋找引力波方面得到了更有力的答案，並能夠更準確地將太陽系重心精確到100米以內，如果太陽有足球場那麼大，那麼100米就是一根頭髮的直徑。對散布在銀河系中脈衝星的精確觀測，比以往任何時候都更好地定位了我們我們在宇宙中的位置。通過這種方式發現引力波，再加上其他實驗，將對宇宙中所有不同類型的黑洞都有了更全面的了解。

博科園｜研究/來自：範德比爾特大學

參考期刊《天體物理學》

DOI: 10.3847/1538-4357/ab7b67

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