中國驕傲丨一眼望穿137億光年！中國天眼“看見”引力波蹤影 這是又一項世界級突破

【導語】作為世界上最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡，中國天眼FAST安靜地坐落在我國西南一隅，向宇宙深處發(fā)出最遙遠的目光。從2016年落成啟用至今，中國天眼FAST已發(fā)現(xiàn)脈沖星超過800顆，是同一時期國際上所有其他望遠鏡發(fā)現(xiàn)脈沖星總數(shù)的三倍以上；此外，還發(fā)現(xiàn)了首例持續(xù)活躍重復快速射電暴、迄今軌道周期最短脈沖星雙星系統(tǒng)……

近日，中國天眼FAST又有了新突破，由中國科學院國家天文臺等單位科研人員組成的中國脈沖星測時陣列(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(guān)鍵證據(jù)，表明我國納赫茲引力波探測和研究與國際同步達到領(lǐng)先水平，對人類探索宇宙意義深遠。

中國天眼探測到引力波蹤影

2020年1月11日，被譽為中國天眼的500米口徑球面射電望遠鏡通過驗收，正式開放運行。（圖源：新華社）

作為具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“大國重器”，中國天眼FAST——500米口徑球面射電望遠鏡可謂“獨步天下”，其綜合性能比世界上排名第二的美國阿雷西博望遠鏡提高約10倍，能夠接收到137億光年以外的電磁信號，當它睜開雙眼，億萬光年以外的宇宙空間盡收眼底。

在一場20年前就開始的國際天文競賽中，中國科學家后發(fā)先至，僅僅用了3年5個月就成功驗證了40年前的理論預言，中國天眼FAST通過對銀河系中的57顆毫秒脈沖星進行了長期系統(tǒng)性監(jiān)測，首次“看見”了來自深遠宇宙的漣漪——納赫茲引力波。

6月29日，中國脈沖星測時陣列研究團隊宣布利用中國天眼FAST獨立找到了納赫茲引力波存在的關(guān)鍵證據(jù)。該團隊充分利用中國天眼FAST靈敏度高、可監(jiān)測脈沖星數(shù)量多、測量精度更高的優(yōu)勢，基于自主開發(fā)的軟件進行了數(shù)據(jù)分析研究。在誤報率小于五十萬分之一的前提下，發(fā)現(xiàn)了具有納赫茲引力波特征的四極相關(guān)信號的證據(jù)。

中國天眼探測到納赫茲引力波存在的關(guān)鍵證據(jù)示意圖。（圖源：中國科學院國家天文臺）

中國科學院院士、中國科學院國家天文臺臺長常進介紹，證據(jù)就是脈沖星到達的時間，由于納赫茲引力波產(chǎn)生的時空漣漪，產(chǎn)生的這個晃動。脈沖星角度的一個變化，這是納赫茲引力波存在的一個重要的依據(jù)。他們看到了這種變化。

中科院理論物理研究所所長蔡榮根院士指出，這次科研人員利用中國天眼FAST測量到引力波信號的關(guān)鍵證據(jù)，結(jié)果與超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)的理論預期一致。下一步通過數(shù)據(jù)的進一步積累，一個關(guān)鍵的問題是去確定引力波的譜指數(shù)，這蘊含著引力波源的豐富物理。

同一時間，來自歐洲-印度、美國、澳大利亞等國家和地區(qū)的另外三個國際團隊也宣布獲得納赫茲引力波存在的關(guān)鍵證據(jù)。在天文學家看來，對納赫茲引力波進行探測，將有助于理解宇宙結(jié)構(gòu)的起源，探測宇宙中最大質(zhì)量的天體即超大質(zhì)量黑洞的增長、演化及并合過程；也有助于物理學家洞察時空的基本物理原理。

納赫茲引力波探測極具挑戰(zhàn)

納赫茲引力波是引力波的一種，是宇宙中一種極低頻擾動，其頻率為10的負9次方赫茲。納赫茲引力波由于頻率極低、周期長達數(shù)年，其波長可達數(shù)光年，對它的探測十分具有挑戰(zhàn)性。利用類似于中國天眼FAST這種大型射電望遠鏡對一批自轉(zhuǎn)極其規(guī)律的毫秒脈沖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。

6月23日拍攝的中國天眼FAST全景（維護保養(yǎng)期間拍攝，無人機照片）。（圖源：新華社）

在國際上，北美納赫茲引力波天文臺、歐洲脈沖星測時陣列、澳大利亞帕克斯脈沖星測時陣列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。近期一些新生力量也逐漸加入這一領(lǐng)域，包括中國脈沖星測時陣列、印度脈沖星測時陣列和南非脈沖星測時陣列。

脈沖星測時陣列探測納赫茲引力波的靈敏度強烈依賴于觀測時間跨度——即靈敏度隨著觀測時間跨度的增長而迅速增加。中國研究團隊面對觀測時間跨度遠短于美國、歐洲、澳大利亞三個國際團隊的不利局面，充分利用中國天眼FAST長期系統(tǒng)地監(jiān)測了一大批毫秒脈沖星，自主開發(fā)獨立數(shù)據(jù)分析軟件，以數(shù)據(jù)精度、脈沖星數(shù)量和數(shù)據(jù)處理算法上的優(yōu)勢彌補了時間跨度上的不足，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?shù)乃剑瑥亩鴮崿F(xiàn)此次重大科學突破。

不過，受限于當前觀測數(shù)據(jù)較短的時間跨度，團隊暫時無法確定納赫茲波段引力波的主要物理來源?！暗@將隨著后續(xù)觀測數(shù)據(jù)時間跨度的增長而解決。”中國科學院國家天文臺研究員、北京大學研究員李柯伽說，“由于我們團隊現(xiàn)有數(shù)據(jù)時間跨度較短，所以數(shù)據(jù)時間跨度增長帶來的效果會更明顯，例如，如果數(shù)據(jù)時間跨度再增長3年5個月，我們的數(shù)據(jù)時間跨度將翻番，而其他國際團隊僅增長不到20%?！?/p>

有望打開探測宇宙的新窗口

晨曦中的中國天眼FAST全景（無人機照片，2022年7月25日維護保養(yǎng)期間拍攝）。（圖源：新華社）

中國最早在2002年開展初步的脈沖星測時陣前期調(diào)研。2016年6月，中科院對納赫茲引力波探測研究進行前瞻、戰(zhàn)略和系統(tǒng)布局，部署“多波段引力波宇宙研究”戰(zhàn)略性先導科技專項(B類)，中科院國家天文臺聯(lián)合北京大學和中科院新疆天文臺、云南天文臺、上海天文臺、國家授時中心以及廣州大學等組建中國脈沖星測時陣列研究團隊，為利用中國天眼FAST探測納赫茲引力波開展科學和技術(shù)預研。

2019年6月，中國天眼FAST科學委員會成立，進一步凝練原創(chuàng)突破目標，整合全國最優(yōu)秀青年科技力量，依托中國天眼FAST組織開展體系化、建制化科研攻關(guān)，通過遴選評議設(shè)立中國脈沖星測時陣列優(yōu)先和重大項目、提供觀測時間，加快開展納赫茲引力波探測協(xié)同攻關(guān)。由于觀測數(shù)據(jù)積累的時間跨度對探測納赫茲引力波非常重要，為盡早開始積累觀測數(shù)據(jù)，當年9月，中國天眼FAST還處于調(diào)試階段，中國脈沖星測時陣列團隊就聯(lián)合中國天眼FAST調(diào)試工作組開始試觀測，盡可能早地為探測納赫茲引力波積累觀測數(shù)據(jù)。

與此同時，2020年科技部通過平方公里陣列射電望遠鏡(SKA)專項部署“脈沖星測時和檢驗引力理論”科研任務(wù)，利用中國天眼FAST等國內(nèi)射電望遠鏡組成望遠鏡陣列，開展陣列望遠鏡脈沖星測時和納赫茲引力波探測的預先研究。2020年國家自然科學基金委員會通過中國天眼FAST專項重點部署“基于中國天眼FAST的脈沖星前沿物理問題研究”，開展脈沖星物理特性和測時噪聲研究，進一步提高脈沖星測時精度。

中科院國家天文臺表示，后續(xù)將充分發(fā)揮中國天眼FAST脈沖星測時精度國際領(lǐng)先優(yōu)勢，加快納赫茲引力波探測科研攻關(guān)，積累更長期的觀測數(shù)據(jù)，逐步發(fā)表更高精度的探測結(jié)果，打開人類利用納赫茲引力波探測宇宙的新窗口。

同時，該臺還將積極推進中國天眼FAST擴展和升級，基于脈沖星測時陣列方法，實現(xiàn)納赫茲引力波事件的常規(guī)觀測，從而建成納赫茲引力波天文臺，并開啟更高靈敏度和更高分辨率的低頻射電觀測研究新紀元，將中國加快建設(shè)成為引力波天文和射電天文強國。

(資料來源：人民日報、央視新聞、中新網(wǎng)、中國科學報)