「看見」引力波蹤影！中國天眼再獲世界級發現

轉自：中國科學報

一場20年前就開始的國際天文競賽中，中國科學家后發先至，僅用3年5個月就成功驗證40年前的理論預言——中國天眼FAST通過對57顆脈衝星的監測，首次「看見」了來自深遠宇宙的漣漪。

6月29日，由中國科學院國家天文臺等單位科研人員組成的中國脈衝星測時陣列（CPTA）研究團隊利用中國天眼FAST，探測到「納赫茲引力波」存在的關鍵證據。相關論文在我國天文學術期刊《天文與天體物理研究（RAA）》在線發表。與此同時，來自歐洲-印度、美國、澳大利亞等國家和地區的另外3個國際團隊同步發表了各自獨立獲得並且相互印證的結果。

「人類終於站在了期盼已久的納赫茲引力波觀測窗口前。」論文通訊作者、國家天文臺/北京大學研究員李柯伽和團隊為此感到自豪：「我們利用中國自主設計和建造的大科學裝置，開展原創性研究，成果發表在中國本土的學術期刊上，我國在這一領域與國際同步達到領先水平。」

中國天眼FAST探測到納赫茲引力波存在的關鍵證據示意圖（國家天文臺供圖）

尋找「納赫茲」

愛因斯坦曾在廣義相對論中預言，加速運動的有質量物體會擾動周圍時空而產生「漣漪」，這便是引力波。近一個世紀來，全世界科學家都試圖從實驗上觀測引力波。

「如果把宇宙比喻成一杯水，人類已知的、能看見的東西只是其中一滴，絕大部分的宇宙是看不見的暗物質、暗能量。」李柯伽介紹，「我們只有通過追蹤有‘質量’物體的運動，才能揭開宇宙的奧祕。」

引力波具有不同的頻率和波長，反映出不同的天文事件，探測方法也不盡相同。例如，2016年美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）實現人類首次在實驗中直接觀測到引力波。其利用地面激光干涉儀能夠觀測到頻率較高、波長較短的引力波，這些引力波由恆星級質量的雙黑洞併合產生。

而頻率更低、波長更長的引力波則由更大質量天體的運動產生。作為宇宙中質量最大的天體，星系中心的超大質量雙黑洞系統繞轉產生的引力波主要集中在「納赫茲頻段」，即十億分之一赫茲。在天文學家看來，對「納赫茲引力波」進行探測，將有助於理解超大質量黑洞的增長、演化及併合過程。

然而，由於頻率極低、周期長達數年，納赫茲引力波探測極具挑戰，全球科學家迟迟沒有發現它的蹤跡。

57顆脈衝星，3年5個月

利用大型射電望遠鏡對一批自轉極其規律的毫秒脈衝星進行長期測時觀測，是目前唯一能夠探測納赫茲引力波的手段。「超大質量天體運動產生的引力波會擾動整個時空，也會改變脈衝星到達地球的時間信號，對這些信號進行比較就可以判斷是不是引力波。」李柯伽向《中國科學報》介紹此研究的基本原理。

早在1983年，天文學家曾提出理論預言稱，「四極相關信號」是引力波的特徵證據。而隨着射電天文學的長足發展，基於這一原理尋找納赫茲引力波逐漸成為國際物理和天文領域競賽的焦點之一。

近20年來，北美納赫茲引力波天文臺（NANOGrav）、歐洲脈衝星測時陣列（EPTA）、澳大利亞帕克斯脈衝星測時陣列（PPTA）都利用各自的大型射電望遠鏡，分別開展了納赫茲引力波搜尋。最近，又增加了中國脈衝星測時陣列（CPTA）、印度脈衝星測時陣列（InPTA）和南非脈衝星測時陣列（SAPTA）等新生力量。

利用中國天眼FAST，中國脈衝星測時陣列科研團隊只用了3年5個月就達成目標。他們圍繞57顆脈衝星的相關數據，自主開發獨立軟件進行數據分析。最終，在「4.6西格瑪置信度」水平上發現了具有納赫茲引力波特徵的四極相關信號的證據，誤報率小於五十萬分之一，成功驗證40年前的理論預言。

同時，探測到的引力波幅度極小，距離上相當於1公里尺度引力波引起的擾動約為百分之一個氫原子的大小，時間上則相當於千萬年尺度上變化1秒。

李柯伽表示，受限於當前觀測數據較短的時間跨度，科研團隊暫時無法確定納赫茲波段引力波的主要物理來源，但這將隨着后續觀測數據時間跨度的增加而解決。

有組織的基礎研究

在科研團隊看來，面對觀測時間跨度遠短於國際團隊的不利局面，中國科學家能夠取得此次重大突破離不開來自管理部門的大力支持、科研團隊的通力合作以及科學家的長期堅守。

中國科學院國家天文臺臺長、中國科學院院士常進總結：「這一重大科學突破的取得使我們清晰認識到，前沿科學研究已經進入大科學時代，國際科技競爭向基礎研究前移。而基礎研究的組織化程度越來越高，目標導向性越來越顯著，越發凸顯建制化、體制化科研的重要作用。」

據瞭解，我國最早在2002年開展了初步的脈衝星測時陣前期調研；2016年中國科學院啟動了「多波段引力波宇宙研究」戰略性先導科技專項（B類），並聯合北京大學，中國科學院新疆天文臺、雲南天文臺、上海天文臺、國家授時中心，廣州大學等多家相關單位組建了中國脈衝星測時陣列研究團隊；2019年中國天眼FAST科學委員會成立后，繼續加快開展納赫茲引力波探測協同攻關。同時，科技部、國家自然科學基金委員會也部署了相關科研項目。

在納赫茲引力波探測攻關過程中，科研團隊一方面不斷提高中國天眼FAST對脈衝星的觀測精度，另一方面加快創新數據處理方法，以數據精度、脈衝星數量和數據處理算法上的優勢彌補時間跨度上的差距，使得我國納赫茲引力波探測靈敏度得以快速提高。

一批「80后」「90后」的青年科學家也在此次攻關中逐漸成長起來。作為中國脈衝星測時陣列負責人，"80后"的李柯伽2003年就投身這一領域，歷經「二十年磨一劍」的堅持，終於實現夢想。

「日復一日、年復一年的數據處理過程的確有些枯燥，但當你始終認為你做的事情是重要的，就會始終胸懷信念。」論文第一作者、中國科學院國家天文臺助理研究員、"90后"的胥恆則表示。

論文相關信息：https://doi.org/10.1088/1674-4527/acdfa5