天文學家：確定了太陽系的質心位置的精度在100米範圍內

我們許多人都知道，質心為多質點系統的質量中心。若對該點施力，系統會沿著力的方向運動、不會旋轉。質點位置對質量加權取平均值，可得質心位置。質心對應的英文有 center of mass 與 barycenter，後者指兩個或多個互繞物體的質量中心。

Barycenter 在天文學和天文物理上是很重要的一個概念。從一個物體的質心轉移一個距離至彼此的質心，可以簡化成二體問題來進行計算。在兩個天體當中，有一個比另一個大許多的情況下（在相對封閉的環境），質心通常會位於質量較大的天體之內。因而較小的天體會在軌道上繞著共同的質心運動，而較大的僅僅只會略微“抖動”。地月系統就是這樣的狀況，兩者的質心距離地球的中心4，671公里，而地球的半徑是6，378公里。當兩個天體的質量差異不大時，質心通常會介於兩者之間，而這兩個天體會呈現互繞的現象。木星和太陽的質量相差雖然超過1，000倍，但因為它們之間的距離較大，也是這一型別的例子。

在天文學，質心座標是非轉動座標，其原點是兩個或多個天體的質心所在。國際天球參考系統是質心座標之一，它的原點是太陽系的質心所在之處。太陽系的質量中心（barycenter）即其重心，是所有太陽系的行星、衛星和許多小行星等的質量平衡點。

天文學家們現在確定了我們

的重力中心的精確位置，其精度誤差僅僅在100米的範圍內。這個精度是什麼樣的概念？比方說，如果把太陽當作足球場的大小，那麼球場裡其中的一縷頭髮的直徑就為100米。用我們通俗的話來講，這相當於大海撈針的精度。

為什麼天文學家需要儘量精確地確定我們太陽系的重心位置？物理學教授，美國宇航局噴氣推進實驗室（JPL）的前天文學家、斯蒂芬·泰勒（Stephen Taylor）解釋說，其重要目的之一是為了尋找比太陽大數十億倍的未被發現的黑洞，測量這些黑洞存在的引力波，從而推動有關研究領域的發展。

黑洞是由極度扭曲的時空形成的純引力區域。在宇宙中找到潛在在銀河系中心的最龐大的黑洞，將有助於我們瞭解此類星系，包括我們自己的星系，自形成以來數十億年間是如何成長和演化的。這些黑洞也是測試物理基本假設的無與倫比的實驗室。

引力波是愛因斯坦廣義相對論所預測的時空波動。當黑洞成對彼此繞軌道執行時，它們會輻射出引力波，從而使時空變形，拉伸和擠壓空間。

引力波於2015年由鐳射干涉儀引力波天文臺（LIGO）首次檢測到，為宇宙中最極端的物體打開了新的視野。該引力波天文臺透過尋找4公里長的探測器的形狀變化來觀察相對短的引力波，而美國物理前沿中心的“北美納赫納引力波天文臺”則在尋找整個銀河系形狀的變化。

北美納赫納引力波天文臺，英語：North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves，簡稱：NANOGrav，透過使用脈衝星正時陣列射電望遠鏡對一毫秒脈衝星系進行常規觀測來檢測引力波。

泰勒和他的團隊正在尋找脈衝星發出的定期無線電波閃爍到達率的變化。這些脈衝星正在迅速旋轉中子星，猶如廚房攪拌器一樣。它們還發出無線電波束，當這些束波掃過地球時看起來像星際燈塔。超過15年的資料表明，這些脈衝星的脈衝到達率極為可靠，可作為出色的銀河系時鐘。在許多這些脈衝星之間相關的任何時間偏差都可能表明引力波扭曲了我們的銀河系。

泰勒解釋說：“利用我們在銀河系中觀察到的脈衝星，我們就像蜘蛛一樣坐在靜止不動的網中間。” “我們對太陽系重心的瞭解程度至關重要，因為我們試圖感知甚至最小的感覺。”

我們的如此行星網路的中心在哪裡，即在我們的太陽系中絕對靜止的位置在哪？並不像許多人想象的是位於太陽的中心，而是更靠近這個恆星的表面。過去由於對木星的質量以及對其軌道的不完全瞭解。木星繞太陽公轉需要12年，而NANOGrav收集資料已15年。JPL的伽利略探測器在1995年至2003年之間對木星進行了研究，但經歷了技術缺陷，影響了所進行的測量質量的任務。

長期以來，利用多普勒資料以確定太陽系重心的中心，從而估算出繞太陽執行的星體的位置和軌跡。天文學家注意的是，質量和軌道的誤差將轉化為脈衝星定時的偽像，看起來類似於力波。

泰勒和他的合作者發現，使用現有的太陽系模型來分析NANOGrav資料會產生不一致的結果，“在太陽系模型之間的引力波搜尋中，我們沒有發現任何重要的東西，但是在計算中我們發現了系統上的巨大差異。” “通常，更多的資料可以提供更精確的結果，但是我們的計算總是存在偏差。”

該小組決定在搜尋引力波的同時搜尋太陽系的重心。研究人員獲得了尋找引力波的更可靠的答案，並且能夠更精確地將太陽系重心定位在100米以內。天文學家透過對星系中散佈的脈衝星的精確觀測，比以往任何時候都能夠更好地確定我們在宇宙中的定位。透過這種方式找到引力波，除了進行其他實驗，還獲得了宇宙中所有不同種類黑洞的更全面的概覽。

隨著NANOGrav繼續收集越來越豐富和精確的脈衝星定時資料，天文學家相信，巨大的黑洞將很快且明確地出現在資料中。

該最新研究成果發表在最近的《天體物理學雜誌》上。

參考：Modeling the Uncertainties of Solar System Ephemerides for Robust Gravitational-wave Searches with Pulsar-timing Arrays， The Astrophysical Journal （2020）。