天眼FAST納赫茲引力波搜尋研究取得重大突破

近日，由中科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性證據，表明我國納赫茲引力波研究與國際同步達到領先水平。相關論文6月29日在我國天文學術期刊《天文與天體物理學研究》在線發表。

FAST探測到納赫茲引力波存在的關鍵性證據示意圖

納赫茲引力波是引力波的一種，而引力波是由加速運動的有質量物體擾動周圍的時空而產生時空的漣漪。對頻率低至納赫茲的引力波進行探測，將有助於天文學家理解宇宙結構的起源，探測宇宙中最大質量的天體即超大質量黑洞的增長、演化及併合過程，也有助於物理學家洞察時空的基本物理原理。

在此次研究中，CPTA團隊利用FAST對57顆毫秒脈衝星進行了長期系統性監測，並將這些毫秒脈衝星組成了銀河系尺度大小的引力波探測器來搜尋納赫茲引力波。該團隊基於獨立開發的軟件，對 FAST收集的時間跨度3年5個月的數據進行分析研究，在4.6西格瑪置信度水平（誤報率小於五十萬分之一）上發現了具有納赫茲引力波特徵的四極相關信號的證據。

開闢納赫茲引力波探測宇宙的新窗口對於理解超大質量黑洞、星系併合歷史、宇宙大尺度結構形成等問題具有重要意義。納赫茲引力波由於頻率極低、周期長達數年，其波長可達數光年，對它的探測十分具有挑戰性。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，是納赫茲引力波目前已知的唯一探測手段。發現納赫茲引力波是國際物理和天文領域競賽的焦點之一。國際上，北美NANOGrav、歐洲EPTA、澳大利亞PPTA利用各自的大型射電望遠鏡，已分別開展了長達20年的納赫茲引力波搜尋。近幾年，印度脈衝星測時陣列（InPTA）和南非脈衝星測時陣列（SAPTA）也加入了這一激烈的競爭。中國脈衝星測時陣列（CPTA）於2019年開始依託FAST進行納赫茲引力波探測。此次，國際上其他脈衝星測時陣列合作組，包括EPTA-InPTA、NANOGrav和PPTA也將和中科院國家天文臺同一天宣佈相類似的結果。

CPTA研究團隊面對觀測時間跨度遠短於美、歐、澳三個國際團隊的局面，充分利用FAST靈敏度高、可監測脈衝星數目多、測量精度更高的優勢，長期系統地監測了一大批毫秒脈衝星，自主開發獨立數據分析軟件，以數據精度、脈衝星數量和數據處理算法上的優勢彌補了時間跨度上的差距，使我國納赫茲引力波探測靈敏度很快達到了與美、歐、澳相當的水平，從而同時實現此次重大科學突破。

后續，中科院國家天文臺將充分發揮FAST脈衝星測時精度國際領先優勢，加快納赫茲引力波探測科研攻關，積累更長期的觀測數據，逐步發表更高精度的探測結果，推進國際脈衝星測時陣列合作，拓展提升FAST性能，打開人類利用納赫茲引力波探測宇宙的新窗口。

文/北京青年報記者 雷嘉

編輯/高艷