“中国天眼”（FAST）再度迎来重大突破。利用FAST观测数据，我国脉冲星测时阵列（CPTA）研究团队发现纳赫兹引力波存在的关键证据，表明我国纳赫兹引力波研究与国际同步达到领先水平。相关研究成果6月29日在线发表于《天文与天体物理研究》。
中科院国家天文台供图
“中国天眼”（FAST）再度迎来重大突破。利用FAST观测数据，我国脉冲星测时阵列（CPTA）研究团队发现纳赫兹引力波存在的关键证据，表明我国纳赫兹引力波研究与国际同步达到领先水平。相关研究成果6月29日在线发表于《天文与天体物理研究》。
什么是纳赫兹引力波
纳赫兹引力波是引力波的一种，是宇宙中一种极低频扰动，其频率为10的负9次方赫兹。纳赫兹引力波由于频率极低、周期长达数年，其波长可达数光年，对它的探测十分具有挑战性。
中国科学院院士、中国科学院国家天文台台长常进指出，纳赫兹引力波主要是为人类打开了观测宇宙的一个重要“窗口”，肯定会有许多物理上的重大发现。用纳赫兹引力波，科研人员可以研究宇宙的超大质量天体，像黑洞、超大质量黑洞，星系的形成、演化、合并，还有宇宙早期的结构等。这些都是天体物理的重大科学问题。
引力波成果动画。来源：央视新闻
40年前理论预言被成功验证
利用大型射电望远镜对一批自转极其规律的毫秒脉冲星进行长期测时观测，是目前唯一能够探测纳赫兹引力波的手段。
“超大质量天体运动产生的引力波会扰动整个时空，也会改变脉冲星到达地球的时间信号，对这些信号进行比较就可以判断是不是引力波。”论文通讯作者、国家天文台/北京大学研究员李柯伽介绍该研究的基本原理。
早在1983年，天文学家曾提出理论预言，“四极相关信号”是引力波的特征证据。而随着射电天文学的长足发展，基于这一原理寻找纳赫兹引力波逐渐成为科学界竞赛的焦点之一。
利用FAST，CPTA研究团队只用了3年5个月就达成目标。他们围绕57颗脉冲星的相关数据，自主开发独立软件进行数据分析。最终，在“4.6西格玛置信度”水平上发现了具有纳赫兹引力波特征的四极相关信号的证据，误报率小于五十万分之一，成功验证了40年前的理论预言。
1916年，爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。2016年，美国激光干涉引力波天文台宣布在百赫兹频段探测到恒星级质量双黑洞并合产生的引力波，并因此获得了2017年诺贝尔物理学奖。更大质量的天体产生的引力波频率更低。例如，宇宙中质量最大的天体，星系中心的超大质量双黑洞系统绕转产生的引力波主要集中在纳赫兹频段。在这个频段内，甚至还有宇宙早期原初引力波残存至今的部分和宇宙弦产生的引力波。
几十年来，各国天文学家一直在为探测神秘的引力波而努力。美国、欧洲、澳大利亚利用各自大型射电望远镜，已分别开展长达20年的纳赫兹引力波搜寻，近期包括中国、印度、南非等新生力量也逐渐加入引力波探测领域，在中国最新发布“中国天眼”探测到纳赫兹引力波存在关键证据的同时，国际上其他脉冲星测时阵列合作组，也分别宣布相类似的结果。
我国将建成纳赫兹引力波天文台
脉冲星测时阵探测纳赫兹引力波的灵敏度强烈依赖于观测时间跨度，即灵敏度随着观测时间跨度的增长而迅速增加。CPTA研究团队面对观测时间跨度远短于美国、欧洲、澳大利亚三个国际团队的不利局面，充分利用FAST灵敏度高、可监测脉冲星数目多、测量精度更高的优势，长期系统地监测了一大批毫秒脉冲星，并自主开发独立数据分析软件，以数据精度、脉冲星数量和数据处理算法上的优势弥补了时间跨度上的差距，使中国纳赫兹引力波探测灵敏度很快达到与美、欧、澳相当的水平，从而同步实现此次重大科学突破。不过，受限于当前观测数据较短的时间跨度，CPTA研究团队暂时无法确定纳赫兹波段引力波的主要物理来源，但这将随着后续观测数据时间跨度的增加而解决。
中科院国家天文台表示，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。
我国前瞻布局为引力波探测奠定基础
中国最早在2002年开展初步的脉冲星测时阵前期调研。2016年6月，中科院对纳赫兹引力波探测研究进行系统布局，部署了“多波段引力波宇宙研究”战略性先导科技专项，2019年9月，中国天眼FAST还处于调试阶段，中国脉冲星测时阵列研究团队就联合FAST调试工作组开始试观测，尽可能早地为探测纳赫兹引力波积累观测数据。
2020年科技部通过平方公里阵列射电望远镜（SKA）专项部署“脉冲星测时和检验引力理论”科研任务，利用FAST等国内射电望远镜组成望远镜阵列，开展阵列望远镜脉冲星测时和纳赫兹引力波探测的预先研究。2020年国家自然科学基金委员会通过FAST专项重点部署“基于FAST的脉冲星前沿物理问题研究”，开展脉冲星物理特性和测时噪声研究，进一步提高脉冲星测时精度。
此外，中科院国家天文台10年来全力做好 FAST建设调试、开放运行和科学研究工作，已取得一系列具有国际影响力的重大成果。
来源：科技日报、央视新闻、中国科学报、中国新闻网
