天体物理学家发现新的引力波探测方法 探索宇宙最深处的奥秘

天体物理学家发现新的引力波探测方法 探索宇宙最深处的奥秘 科大物理系刘教授团队提出的突破性概念，可让地球磁层中的单个天文望远镜成为全球变暖信号的探测器。资料来源：香港科技大学在香港科技大学物理系副教授刘涛教授的领导下，研究小组的创新方法可以利用行星磁层中现有的、技术上可行的天文望远镜成功探测高频引力波。这将为以有效和技术可行的方式研究早期宇宙和剧烈宇宙事件开辟新的可能性。引力波（GW）由各种天文现象产生，如早期宇宙的相变和原始黑洞的碰撞。然而，引力波的影响极其微弱，目前只能通过干涉测量法在相对较低的频段发现引力波。因此，利用全球升温潜能值观测宇宙面临着巨大的技术挑战，特别是在探测一千赫以上的高频段时，干涉测量法的使用受到很大限制。为了解决这一难题，刘涛教授和他的博士后研究员张晨博士与中国科学院高能物理研究所的任静研究员合作，在最近的研究中取得了重大突破。这项研究利用了一个有趣的物理效应：驻留在磁场中的全球瓦可以转化为潜在的可探测电磁波。通过利用行星磁层内的延伸路径，转换效率得以提高，从而产生更多的电磁波信号。对于具有宽视场的望远镜来说，由于这种行星实验室内的信号通量具有广阔的角度分布，因此探测能力可以得到进一步提高。这种创新方法可使单个天文望远镜充当全球变暖信号的探测器。通过组合多个望远镜，可以实现高频全球变暖频率的广泛覆盖，从兆赫兹到1028赫兹不等。这一频率范围相当于天文观测中使用的电磁波谱，其中有很大一部分是以前在探测 GW 时从未探索过的。这项研究对低地球轨道卫星探测器和木星磁层内正在进行的任务的灵敏度进行了初步评估。这项研究发表在今年 3 月的《物理评论快报》上，随后，《自然- 天文学》在 5 月发表了一篇题为"行星大小的实验室提供了宇宙学见解"的文章，重点介绍了这项研究。这强调了这项研究在为未来新型全球变暖探测技术研究铺平道路方面的重要意义。编译来源：ScitechDailyDOI: 10.1103/PhysRevLett.132.131402DOI: 10.1038/s41550-024-02285-w ... PC版： 手机版：

“中国天眼”探测到纳赫兹引力波存在关键证据

“中国天眼”探测到纳赫兹引力波存在关键证据 据中新社报道，记者从中国科学院国家天文台获悉，这项纳赫兹引力波研究重要成果论文，星期四（6月29日）在中国天文学术期刊《天文与天体物理研究》（RAA）在线发表。 作为引力波的一种，对频率低至纳赫兹的引力波进行探测，将有助于天文学家理解宇宙结构的起源，探测宇宙中最大质量的天体即超大质量黑洞的增长、演化及并合过程，也有助于物理学家洞察时空的基本物理原理。 中科院国家天文台说，后续将充分发挥FAST脉冲星测时精度国际领先优势，加快纳赫兹引力波探测科研攻关，积累更长期的观测数据，逐步发表更高精度的探测结果，打开人类利用纳赫兹引力波探测宇宙的新窗口。 同时，该台还将积极推进FAST扩展和升级，基于脉冲星测时阵列方法，实现纳赫兹引力波事件的常规观测，从而建成纳赫兹引力波天文台，并开启更高灵敏度和更高分辨率的低频射电观测研究新纪元，将中国加快建设成为引力波天文和射电天文强国。

四种新工具全力“捕捉”引力波

四种新工具全力“捕捉”引力波 两个“共舞”黑洞产生的引力波的频率越来越高 图片来源：美国国家航空航天局英国《自然》杂志网站在6月27日的报道中指出，物理学家正在筹建新天文台，开发新实验和技术，以发现目前方法无法检测到的引力波。他们期待能够发现由完全不同的宇宙现象，包括超大质量黑洞甚至宇宙大爆炸本身产生的引力波，从而进一步揭示宇宙的奥秘。脉冲星计时阵列：捕捉持续十年的引力波脉冲星是高度磁化且快速旋转的中子星，每秒可以旋转数千次。理想情况下，脉冲信号应该间隔相等，但如果引力波对时空造成了微小扰动，脉冲星和地球的距离会发生微小变化，探测这些微小变化有助发现引力波。对脉冲星集合或阵列进行观测的脉冲星计时阵列（PTA）应该能够检测到频率仅为纳赫兹的引力波引起的变化，此类引力波可能由超大质量黑洞对产生。这种引力波的连续波峰需要数十年才能通过地球上的特定位置，这意味着需要数十年观测才能发现它们。2023年，PTA技术结出硕果。北美纳赫兹引力波天文台、欧洲脉冲星计时阵列、中国脉冲星计时阵列、澳大利亚帕克斯脉冲星计时阵列等合作团队分别发表了4篇论文，报道了背景引力波的存在证据。在宇宙尺度上均匀分布的、大量独立且不可分辨的波源辐射的引力波叠加起来，就会形成随机背景引力波。美国耶鲁大学天体物理学家基娅拉·明加雷利表示，纳赫兹背景引力波可以让人们窥视更早期的宇宙。微波望远镜：发现源于宇宙大爆炸的引力波宇宙微波背景辐射（CMB）被称为宇宙大爆炸的“余晖”。位于智利北部阿塔卡马沙漠海拔5300米处的西蒙斯天文台即将竣工，其能以更精致的细节，为CMB绘制“肖像画”。美国普林斯顿大学宇宙学家乔·邓克利称，该天文台将提供迄今对CMB最好的观测，并寻找源于宇宙大爆炸的引力波痕迹，从而揭示宇宙暴胀的秘密。暴胀指宇宙指数级的快速膨胀。尽管暴胀是目前广泛接受的宇宙学理论基石，但目前还没有证据证明这一点，CMB极化漩涡中的特定“B模式”将是确凿证据，这一模式可能是引力波通过时留下的印记。理论上，这种引力波应该由宇宙暴胀产生。美国约翰斯·霍普金斯大学理论天体物理学家马克·卡米诺维斯基表示，暴胀理论预测了B模式的存在，如果该模型成立，西蒙斯天文台应能找到它。原子干涉仪：专捉特定频率引力波许多项目致力于探测较低频的引力波，但很少有设施探测略低于1赫兹的引力波。但新兴的原子干涉仪技术或有希望完成这一任务。原子干涉仪是一种垂直的高真空管，原子可以在其中释放并在重力作用下下落，在此期间，物理学家用激光“挑动”原子，使其在激发态和基态之间切换。美国斯坦福大学物理学家贾森·霍根表示，将两组或多组原子置于同一垂直管道内不同高度，并测量激光脉冲从一组原子传播到下一组原子所需的时间，引力波的通过将导致光在它们之间传播的时间稍微减少或稍微增加。斯坦福大学开发了落差为10米的原子干涉仪，也有其他小组计划建造100米高度的原子干涉仪，其中MAGIS-100已经在费米国家加速器实验室的竖井中建设，计划于2027年完工。台式探测器：小块头有大智慧也有科学家正在探索用更小更便宜的探测器探测引力波，包括桌面探测器。美国西北大学研制的悬浮传感探测器让激光在相距仅1米的成对镜子之间反射，旨在通过共振来探测频率约100千赫兹的引力波。英国南安普顿大学物理学家伊维特·富恩特斯提出了一种制造更小的共振探测器的想法。她计划利用玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）的奇异物质状态中的声波，如果引力波以与声波共振的频率通过，其就可以被探测到。不过，这个过程可能需要重复数月才能成功。理论上来说，基于BEC的探测器可以探测到1兆赫兹或更高频率的引力波。这些高频引力波可以揭示宇宙大爆炸后第一秒左右发生的奇异物理现象。 ... PC版： 手机版：

物理学家成功地测量了微小粒子所受到的微弱引力

物理学家成功地测量了微小粒子所受到的微弱引力 量子引力的突破然而，南安普顿大学的物理学家与欧洲的科学家合作，利用一种新技术成功地探测到了一种微小粒子所受到的微弱引力。他们声称，这可能为找到难以捉摸的量子引力理论铺平道路。这项发表在《科学进展》杂志 上的实验利用悬浮磁铁探测微观粒子的引力微小到接近量子领域。量子实验的艺术印象。资料来源：南安普顿大学第一作者、南安普顿大学的蒂姆-福克斯（Tim Fuchs）说，这些结果可以帮助专家们找到我们的现实图景中缺失的拼图。他补充说："一个世纪以来，科学家们一直试图弄清万有引力和量子力学是如何协同工作的，但都以失败告终。现在，我们成功地测量到了有记录以来质量最小的引力信号，这意味着我们离最终实现引力信号如何协同工作又近了一步。从这里开始，我们将利用这种技术缩小源的规模，直到我们到达两边的量子世界。通过理解量子引力，我们可以解开宇宙中的一些谜团比如宇宙是如何开始的，黑洞内部发生了什么，或者将所有的力统一到一个大理论中。"科学界尚未完全理解量子领域的规则但人们相信，微观尺度上的粒子和力的相互作用与常规尺寸的物体不同。南安普顿的学者与荷兰莱顿大学和意大利光子学与纳米技术研究所的科学家共同进行了这项实验，实验经费来自欧盟地平线欧洲 EIC 开拓者基金（QuCoM）。他们的研究使用了一套复杂的装置，包括被称为陷阱的超导装置、磁场、灵敏探测器和先进的隔振装置。它在绝对零度以上百分之一摄氏度（约零下273 摄氏度）的冰点温度下悬浮一个 0.43 毫克大小的微小粒子，测量到了微弱的拉力，仅为 30aN 。拓展量子研究的视野南安普顿大学物理教授亨德里克-乌尔布里希特（Hendrik Ulbricht）说，这些结果为今后在更小的物体和力之间进行实验打开了大门。他补充说："我们正在推动科学的发展，这可能会带来关于引力和量子世界的新发现。我们的新技术利用极低的温度和设备来隔离粒子的振动，这很可能被证明是测量量子引力的未来方向。揭开这些谜团将有助于我们解开宇宙结构的更多秘密，从最微小的粒子到最宏伟的宇宙结构。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

物理学家提出广义相对论的修正方案 解释引力在宇宙尺度上稍稍减弱的奇特现象

物理学家提出广义相对论的修正方案 解释引力在宇宙尺度上稍稍减弱的奇特现象 在过去的 100 年里，物理学家一直依靠阿尔伯特-爱因斯坦的"广义相对论"来解释引力如何在整个宇宙中起作用。广义相对论被无数次试验和观测证明是准确的，它表明引力不仅影响三个物理维度，还影响第四个维度：时间。该项目的第一作者、滑铁卢数学物理系应届毕业生罗宾-温（Robin Wen）说："这个引力模型对于从宇宙大爆炸理论到拍摄黑洞的所有工作都至关重要。""但是，当我们试图理解宇宙尺度上的万有引力时，在星系团甚至更远的尺度上，我们遇到了与广义相对论预言明显不一致的地方。就好像引力本身不再完全符合爱因斯坦的理论一样。我们把这种不一致称为'宇宙故障'：当距离达到数十亿光年时，引力会变弱约百分之一。"二十多年来，物理学家和天文学家一直在努力创建一个数学模型，以解释广义相对论明显不一致的地方。滑铁卢大学在应用数学家和天体物理学家的跨学科合作下，开展了长期的尖端引力研究。滑铁卢大学天体物理学教授、外围研究所研究员尼耶什-阿夫肖迪（Niayesh Afshordi）说："近一个世纪前，天文学家发现我们的宇宙正在膨胀。星系距离越远，移动速度越快，以至于它们似乎以接近光速的速度移动，而这正是爱因斯坦理论所允许的最大速度。我们的发现表明，在这些尺度上，爱因斯坦的理论可能也是不够的。"研究小组的"宇宙故障"新模型修改并扩展了爱因斯坦的数学公式，在不影响广义相对论现有成功应用的情况下，解决了一些宇宙学测量不一致的问题。"把它想象成爱因斯坦理论的脚注，"温说。"一旦达到宇宙尺度，就会出现条件。这个新模型可能只是我们开始跨越时空解开宇宙谜题的第一条线索。温这项题为"引力中的宇宙故障"的研究发表在《宇宙学与天体粒子物理学杂志》上。DOI: 10.1088/1475-7516/2024/03/045编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

在AI帮助下 天体物理学家揭开重元素的宇宙起源

在AI帮助下 天体物理学家揭开重元素的宇宙起源 理论物理学家马修-芒鲍尔（Matthew Mumpower）说："自然界中可能存在成千上万个尚未测量的原子核。机器学习算法非常强大，因为它们可以在数据中发现复杂的相关性，而理论核物理模型却很难有效地产生这种结果。这些相关性可以为科学家提供有关'缺失物理'的信息，反过来又可以用来加强原子质量的现代核模型。"模拟快速中子俘获过程最近，Mumpower 和他的同事（包括前洛斯阿拉莫斯暑期学生李梦柯和博士后 Trevor Sprouse）在《物理快报 B》上发表了一篇论文，描述了用基于物理学的机器学习质量模型模拟一个重要的天体物理过程。r过程，即快速中子捕获过程，是发生在极端环境中的天体物理过程，如中子星碰撞产生的环境。重元素可能来自这种"核合成"。事实上，宇宙中一半的重同位素直至铋以及所有的钍和铀都可能是由这种"核合成"过程产生的。洛斯阿拉莫斯模拟的两颗中子星碰撞后的吸积盘。这一事件同时产生了轻元素（蓝色）和重元素（红色）。资料来源：洛斯阿拉莫斯国家实验室然而，对这一过程进行建模需要对原子质量进行理论预测，而目前的实验还无法达到这一要求。研究小组采用物理信息机器学习方法，从原子质量评估（Atomic Mass Evaluation）这一大型质量数据库中随机选择，训练出一个模型。接下来，研究人员利用这些预测的质量来模拟 r 过程。该模型使研究小组首次利用机器学习预测的质量模拟了r过程的核合成这是一项重大创举，因为机器学习预测通常会在外推时崩溃。Mumpower说："我们已经证明，机器学习原子质量可以为我们在实验数据之外的预测打开大门。关键的一点是，我们告诉模型要遵守物理定律。通过这样做，我们就能进行基于物理学的推断。我们的结果与当代理论模型不相上下，甚至更胜一筹，并且可以在获得新数据时立即更新。"研究核结构r过程模拟是研究团队将机器学习应用于核结构相关研究的补充。在最近发表在《物理评论 C》上的一篇被选为"编辑建议"的文章中，研究小组利用机器学习算法重现了具有量化不确定性的核结合能；也就是说，他们能够确定将原子核分离成质子和中子所需的能量，以及每个预测的相关误差条。因此，该算法提供的信息需要大量的计算时间和资源才能从当前的核建模中获得。在相关工作中，研究小组利用他们的机器学习模型将精确的实验数据与理论知识结合起来。这些结果激发了新的稀有同位素束设施的一些首批实验活动，该设施旨在扩大核图的已知区域并揭示重元素的起源。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：