太陽(yáng)系的重心在哪里？利用黑洞引力波，或?qū)⒛軌蚓_到100米

當(dāng)人類(lèi)從伽利略時(shí)代用肉眼觀察天象，過(guò)渡到使用望遠(yuǎn)鏡觀察星空時(shí)，對(duì)夜空和我們?cè)谟钪嬷形恢玫睦斫忾_(kāi)始了革命性變化。四百年后的現(xiàn)代，科學(xué)家們通過(guò)搜索引力波，在對(duì)黑洞的認(rèn)識(shí)上也經(jīng)歷了類(lèi)似的轉(zhuǎn)變。在尋找比太陽(yáng)大數(shù)十億倍以前未被探測(cè)到的黑洞過(guò)程中，美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的物理學(xué)和天文學(xué)助理教授、前天文學(xué)家斯蒂芬·泰勒與北美引力波納赫茲天文臺(tái)(NANOGrav)合作。

通過(guò)尋找太陽(yáng)系重心的精確位置，來(lái)確定這些黑洞引力波的存在，從而推動(dòng)了研究領(lǐng)域的向前發(fā)展，其研究發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《天體物理學(xué)》期刊上。黑洞是一類(lèi)特殊的天體，也是由極度扭曲時(shí)空形成的純引力區(qū)域。找到潛伏在星系中心的黑洞將有助于我們了解這些星系（包括我們所在的銀河系），自形成以來(lái)數(shù)十億年來(lái)是如何成長(zhǎng)和演化的，這些黑洞也是檢驗(yàn)物理學(xué)基本假設(shè)無(wú)與倫比的天然實(shí)驗(yàn)室。

引力波是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言時(shí)空中的漣漪，當(dāng)黑洞成對(duì)圍繞彼此運(yùn)行時(shí)，它們會(huì)輻射引力波，使時(shí)空變形，拉伸和壓縮空間。2015年，激光干涉儀引力波天文臺(tái)(LIGO)首次探測(cè)到引力波，為宇宙中最極端物體的研究打開(kāi)了新視野。激光干涉儀引力波天文臺(tái)通過(guò)測(cè)量4公里長(zhǎng)探測(cè)器形狀的變化，觀測(cè)相對(duì)較短的引力波，而引力波納赫茲天文臺(tái)，一個(gè)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)物理前沿中心，將尋找我們整個(gè)星系形狀的變化。

太陽(yáng)系的重心

研究團(tuán)隊(duì)正在尋找脈沖星定期閃光無(wú)線電波到達(dá)速率的變化，這些脈沖星是快速旋轉(zhuǎn)的中子星，有些速度和廚房攪拌機(jī)一樣快。同時(shí)這些中子星還發(fā)出無(wú)線電波波束，當(dāng)這些波束掃過(guò)地球時(shí)，看起來(lái)就像星際燈塔。收集超過(guò)15年的數(shù)據(jù)表明，這些脈沖星的脈沖到達(dá)速率極其可靠，是出色的標(biāo)準(zhǔn)星系時(shí)鐘。任何與這些脈沖星相關(guān)的時(shí)間偏差，都可能表明引力波扭曲了時(shí)空。

利用在銀河系中觀測(cè)到的脈沖星，研究人員正試圖像一只蜘蛛一樣靜靜地坐在她的網(wǎng)中間，對(duì)太陽(yáng)系重心的了解程度至關(guān)重要，因?yàn)樵噲D感覺(jué)到網(wǎng)絡(luò)上哪怕是最微小波動(dòng)的刺激感，在網(wǎng)中的太陽(yáng)系重心，是所有行星、衛(wèi)星和小行星質(zhì)量平衡的位置。那么太陽(yáng)系重心在哪里，太陽(yáng)系中絕對(duì)靜止的位置？并不像許多人認(rèn)為的那樣位于太陽(yáng)中心。

相反，太陽(yáng)系重心更接近太陽(yáng)的表面，這是由于木星質(zhì)量和我對(duì)其軌道的不完全了解。木星繞太陽(yáng)一周需要12年，略低于NANOGrav一直在收集數(shù)據(jù)的15年。噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的伽利略探測(cè)器在1995年至2003年間研究了木星，但經(jīng)歷了影響任務(wù)期間測(cè)量質(zhì)量的技術(shù)故障。長(zhǎng)期以來(lái)，識(shí)別太陽(yáng)系重心一直是通過(guò)多普勒跟蹤數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算，以獲得對(duì)圍繞太陽(yáng)運(yùn)行天體的位置和軌跡的估計(jì)。噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室天文學(xué)家兼合著者喬·西蒙解釋說(shuō)：

為精確100米而努力

問(wèn)題是，質(zhì)量和軌道上的誤差將轉(zhuǎn)化為脈沖星計(jì)時(shí)制品，很可能看起來(lái)像引力波。研究發(fā)現(xiàn)，使用現(xiàn)有太陽(yáng)系模型來(lái)分析NANOGrav數(shù)據(jù)得出的結(jié)果不一致，在太陽(yáng)系模型之間的引力波搜索中，沒(méi)有檢測(cè)到任何重要的東西，但在計(jì)算中得到了很大的系統(tǒng)差異，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室天文學(xué)家和研究的主要作者米歇爾·瓦利斯內(nèi)里(Michele Vallisneri)指出：通常，數(shù)據(jù)越多，結(jié)果越精確，但我們的計(jì)算中始終存在偏移量。

所以研究短腿決定在探測(cè)引力波的同時(shí)，探測(cè)太陽(yáng)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，并能夠更準(zhǔn)確地將太陽(yáng)系重心精確到100米以?xún)?nèi)，如果太陽(yáng)有足球場(chǎng)那么大，那么100米就是一根頭發(fā)的直徑。對(duì)散布在銀河系中脈沖星的精確觀測(cè)，比以往任何時(shí)候都更好地定位了我們我們?cè)谟钪嬷械奈恢?。通過(guò)這種方式發(fā)現(xiàn)引力波，再加上其他實(shí)驗(yàn)，將對(duì)宇宙中所有不同類(lèi)型的黑洞都有了更全面的了解。

博科園｜研究/來(lái)自：范德比爾特大學(xué)

參考期刊《天體物理學(xué)》

DOI: 10.3847/1538-4357/ab7b67