近日，由中國科學(xué)院國家天文臺(tái)等單位科研人員組成的中國脈沖星測時(shí)陣列研究團(tuán)隊(duì)利用中國天眼FAST，探測到納赫茲引力波存在的關(guān)鍵性證據(jù)，表明我國納赫茲引力波研究與國際同步達(dá)到領(lǐng)先水平。相關(guān)論文在我國天文學(xué)術(shù)期刊《天文與天體物理研究（RAA）》在線發(fā)表。

納赫茲引力波是引力波的一種

【資料圖】

根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，時(shí)空是可以彎曲的，有質(zhì)量的物體在其中加速運(yùn)動(dòng)，擾動(dòng)周圍的時(shí)空，就會(huì)產(chǎn)生引力波。這就好比石頭丟進(jìn)水里會(huì)產(chǎn)生水波，引力波因此常被稱作“時(shí)空的漣漪”。

國家天文臺(tái)研究員、論文通訊作者李柯伽說：“納赫茲引力波是引力波的一種。對頻率低至納赫茲的引力波進(jìn)行探測，將有助于天文學(xué)家理解宇宙結(jié)構(gòu)的起源。”

引力波信號極其微弱，卻是探測宇宙中不發(fā)光物質(zhì)的直接手段，探測引力波并且開辟引力波觀測宇宙的新窗口是天文學(xué)家長期以來追求的目標(biāo)。20世紀(jì)70-80年代，引力波的存在通過觀測脈沖雙星系統(tǒng)的軌道變化得以間接證實(shí)，并獲得了1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2016年，美國激光干涉引力波天文臺(tái)宣布在百赫茲頻段探測到恒星級質(zhì)量雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波，并因此獲得了2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2017年8月，美國激光干涉引力波天文臺(tái)又探測到了兩個(gè)中子星并合產(chǎn)生的引力波，除了引力波信號，全頻段的電磁輻射也被觀測到了，預(yù)示著多信使天文學(xué)時(shí)代的到來。

更大質(zhì)量的天體產(chǎn)生的引力波頻率更低。李柯伽說：“例如，星系中心的超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)，是宇宙中質(zhì)量最大的天體，其質(zhì)量是太陽的億到千億倍。它繞轉(zhuǎn)產(chǎn)生的引力波主要集中在納赫茲頻段，相應(yīng)的信號時(shí)標(biāo)為年到幾十年。在這個(gè)頻段內(nèi)，還可能有宇宙早期原初引力波殘存至今的部分和宇宙弦等奇異對象產(chǎn)生的引力波。”

開辟納赫茲引力波探測宇宙的新窗口對于理解超大質(zhì)量黑洞、星系并合歷史、宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成等問題具有重大意義。

對納赫茲引力波的探測十分具有挑戰(zhàn)性

發(fā)現(xiàn)納赫茲引力波是國際物理和天文領(lǐng)域競賽的焦點(diǎn)之一。

國家天文臺(tái)助理研究員、論文第一作者胥恒說：“納赫茲引力波由于頻率極低、周期長達(dá)數(shù)年，其波長可達(dá)數(shù)光年，對它的探測十分具有挑戰(zhàn)性。利用大型射電望遠(yuǎn)鏡對一批自轉(zhuǎn)極其規(guī)律的毫秒脈沖星進(jìn)行長期測時(shí)觀測，是納赫茲引力波目前已知的唯一探測手段。”

國際上，北美納赫茲引力波天文臺(tái)、歐洲脈沖星測時(shí)陣列、澳大利亞帕克斯脈沖星測時(shí)陣列，利用各自的大型射電望遠(yuǎn)鏡，已分別開展了長達(dá)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，包括我國的中國脈沖星測時(shí)陣列，印度脈沖星測時(shí)陣列和南非脈沖星測時(shí)陣列。

在此次研究中，科研團(tuán)隊(duì)利用中國天眼對57顆毫秒脈沖星進(jìn)行了長期系統(tǒng)性監(jiān)測，并將這些毫秒脈沖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。基于獨(dú)立開發(fā)的軟件，科研人員對中國天眼收集的時(shí)間跨度3年5個(gè)月的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，在4.6西格瑪置信度水平（誤報(bào)率小于五十萬分之一）上發(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)。

脈沖星測時(shí)陣探測納赫茲引力波的靈敏度強(qiáng)烈依賴于觀測時(shí)間跨度——即靈敏度隨著觀測時(shí)間跨度的增長而迅速增加。

研究團(tuán)隊(duì)面對觀測時(shí)間跨度遠(yuǎn)短于美、歐、澳三個(gè)國際團(tuán)隊(duì)的不利局面，充分利用中國天眼靈敏度高、可監(jiān)測脈沖星數(shù)目多、測量精度更高的優(yōu)勢，長期系統(tǒng)地監(jiān)測了一大批毫秒脈沖星，自主開發(fā)獨(dú)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(bǔ)了時(shí)間跨度上的差距，使我國納赫茲引力波探測靈敏度很快達(dá)到了與美、歐、澳相當(dāng)?shù)乃剑瑥亩瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)此次重大科學(xué)突破。不過，受限于當(dāng)前觀測數(shù)據(jù)較短的時(shí)間跨度，團(tuán)隊(duì)暫時(shí)無法確定納赫茲波段引力波的主要物理來源，

“但這將隨著后續(xù)觀測數(shù)據(jù)時(shí)間跨度的增加而解決。”李柯伽說，“由于我們團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)時(shí)間跨度較短，所以數(shù)據(jù)時(shí)間跨度增長帶來的效果會(huì)更明顯，例如，如果數(shù)據(jù)時(shí)間跨度再增長3年5個(gè)月，我們的數(shù)據(jù)時(shí)間跨度將翻倍，而其他國際團(tuán)隊(duì)僅增長不到20%。”

為引力波天體物理學(xué)打開了一個(gè)全新的窗口

2020年9月，北美納赫茲引力波天文臺(tái)利用47顆脈沖星12.5年的觀測數(shù)據(jù)，宣稱測量到納赫茲引力波的中心振幅為1.92x10^-15，頻率譜指數(shù)與超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)的理論預(yù)期-2/3相符，但是信號中沒有看到引力波關(guān)鍵證據(jù)的四極矩關(guān)聯(lián)的Hellings-Downs曲線。

中國科學(xué)院院士蔡榮根說：“此次中國脈沖星測時(shí)陣列研究團(tuán)隊(duì)的結(jié)果與超大質(zhì)量的雙黑洞系統(tǒng)的理論預(yù)期一致。特別重要的是，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在4.6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍內(nèi)信號中四極矩關(guān)聯(lián)的存在性。”

蔡榮根告訴記者，通過數(shù)據(jù)的進(jìn)一步積累，下一步一個(gè)關(guān)鍵的問題是去確定引力波譜指數(shù)。“如果譜指數(shù)是-2/3，則可以肯定探測到的引力波源是超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)，這是首次觀測到宇宙中存在這樣的超大質(zhì)量雙星系統(tǒng)，對理解這些雙星系統(tǒng)的形成和演化具有重要的意義。另外，除了超大質(zhì)量的雙黑洞系統(tǒng)，理論研究表明還有豐富的物理過程會(huì)產(chǎn)生納赫茲頻段的引力波，如宇宙弦，宇宙籌壁，宇宙學(xué)相變，宇宙暴脹時(shí)期曲率漲落引起的隨機(jī)引力波等。要區(qū)分這些物理過程，其關(guān)鍵是確定引力波譜指數(shù)。”

北京大學(xué)講習(xí)教授何子山說：“產(chǎn)生納赫茲引力波是超大質(zhì)量黑洞并合的獨(dú)有預(yù)言。這個(gè)期待已久的預(yù)言，終于被中國脈沖星測時(shí)陣列研究通過利用中國天眼獲得了觀測證據(jù)。這是一項(xiàng)重大的科學(xué)突破，具有持久的巨大意義。它不僅對星系演化和超大質(zhì)量黑洞研究的廣泛領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)的影響，而且為引力波天體物理學(xué)打開了一個(gè)全新的窗口。”

后續(xù)，中國科學(xué)院國家天文臺(tái)將充分發(fā)揮中國天眼脈沖星測時(shí)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。

中國科學(xué)院國家天文臺(tái)臺(tái)長、中國科學(xué)院院士常進(jìn)說：“國家天文臺(tái)還將積極推進(jìn)中國天眼擴(kuò)展和升級，基于脈沖星測時(shí)陣列方法，實(shí)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(tái)，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(jì)元，將我國加快建設(shè)成為引力波天文和射電天文的強(qiáng)國。”

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