中科院國家天文臺(tái)供圖
“中國天眼”（FAST）再度迎來重大突破。利用FAST觀測(cè)數(shù)據(jù)，我國脈沖星測(cè)時(shí)陣列（CPTA）研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)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研究與國際同步達(dá)到領(lǐng)先水平。相關(guān)研究成果6月29日在線發(fā)表于《天文與天體物理研究》。
什么是納赫茲引力波
納赫茲引力波是引力波的一種，是宇宙中一種極低頻擾動(dòng)，其頻率為10的負(fù)9次方赫茲。納赫茲引力波由于頻率極低、周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)年，其波長(zhǎng)可達(dá)數(shù)光年，對(duì)它的探測(cè)十分具有挑戰(zhàn)性。
中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院國家天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)常進(jìn)指出，納赫茲引力波主要是為人類打開了觀測(cè)宇宙的一個(gè)重要“窗口”，肯定會(huì)有許多物理上的重大發(fā)現(xiàn)。用納赫茲引力波，科研人員可以研究宇宙的超大質(zhì)量天體，像黑洞、超大質(zhì)量黑洞，星系的形成、演化、合并，還有宇宙早期的結(jié)構(gòu)等。這些都是天體物理的重大科學(xué)問題。
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引力波成果動(dòng)畫。來源：央視新聞
40年前理論預(yù)言被成功驗(yàn)證
利用大型射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)一批自轉(zhuǎn)極其規(guī)律的毫秒脈沖星進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)時(shí)觀測(cè)，是目前唯一能夠探測(cè)納赫茲引力波的手段。
“超大質(zhì)量天體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的引力波會(huì)擾動(dòng)整個(gè)時(shí)空，也會(huì)改變脈沖星到達(dá)地球的時(shí)間信號(hào)，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行比較就可以判斷是不是引力波。”論文通訊作者、國家天文臺(tái)/北京大學(xué)研究員李柯伽介紹該研究的基本原理。
早在1983年，天文學(xué)家曾提出理論預(yù)言，“四極相關(guān)信號(hào)”是引力波的特征證據(jù)。而隨著射電天文學(xué)的長(zhǎng)足發(fā)展，基于這一原理尋找納赫茲引力波逐漸成為科學(xué)界競(jìng)賽的焦點(diǎn)之一。
利用FAST，CPTA研究團(tuán)隊(duì)只用了3年5個(gè)月就達(dá)成目標(biāo)。他們圍繞57顆脈沖星的相關(guān)數(shù)據(jù)，自主開發(fā)獨(dú)立軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。最終，在“4.6西格瑪置信度”水平上發(fā)現(xiàn)了具有納赫茲引力波特征的四極相關(guān)信號(hào)的證據(jù)，誤報(bào)率小于五十萬分之一，成功驗(yàn)證了40年前的理論預(yù)言。
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來源：央視新聞
各國天文學(xué)家關(guān)注納赫茲引力波探測(cè)
1916年，愛因斯坦基于廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在。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(cè)到恒星級(jí)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)。更大質(zhì)量的天體產(chǎn)生的引力波頻率更低。例如，宇宙中質(zhì)量最大的天體，星系中心的超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)繞轉(zhuǎn)產(chǎn)生的引力波主要集中在納赫茲頻段。在這個(gè)頻段內(nèi)，甚至還有宇宙早期原初引力波殘存至今的部分和宇宙弦產(chǎn)生的引力波。
幾十年來，各國天文學(xué)家一直在為探測(cè)神秘的引力波而努力。美國、歐洲、澳大利亞利用各自大型射電望遠(yuǎn)鏡，已分別開展長(zhǎng)達(dá)20年的納赫茲引力波搜尋，近期包括中國、印度、南非等新生力量也逐漸加入引力波探測(cè)領(lǐng)域，在中國最新發(fā)布“中國天眼”探測(cè)到納赫茲引力波存在關(guān)鍵證據(jù)的同時(shí)，國際上其他脈沖星測(cè)時(shí)陣列合作組，也分別宣布相類似的結(jié)果。
我國將建成納赫茲引力波天文臺(tái)
脈沖星測(cè)時(shí)陣探測(cè)納赫茲引力波的靈敏度強(qiáng)烈依賴于觀測(cè)時(shí)間跨度，即靈敏度隨著觀測(cè)時(shí)間跨度的增長(zhǎng)而迅速增加。CPTA研究團(tuán)隊(duì)面對(duì)觀測(cè)時(shí)間跨度遠(yuǎn)短于美國、歐洲、澳大利亞三個(gè)國際團(tuán)隊(duì)的不利局面，充分利用FAST靈敏度高、可監(jiān)測(cè)脈沖星數(shù)目多、測(cè)量精度更高的優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)期系統(tǒng)地監(jiān)測(cè)了一大批毫秒脈沖星，并自主開發(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(shì)彌補(bǔ)了時(shí)間跨度上的差距，使中國納赫茲引力波探測(cè)靈敏度很快達(dá)到與美、歐、澳相當(dāng)?shù)乃?，從而同步?shí)現(xiàn)此次重大科學(xué)突破。不過，受限于當(dāng)前觀測(cè)數(shù)據(jù)較短的時(shí)間跨度，CPTA研究團(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(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間跨度的增加而解決。
中科院國家天文臺(tái)表示，后續(xù)將充分發(fā)揮FAST脈沖星測(cè)時(shí)精度國際領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，加快納赫茲引力波探測(cè)科研攻關(guān)，積累更長(zhǎng)期的觀測(cè)數(shù)據(jù)，逐步發(fā)表更高精度的探測(cè)結(jié)果，打開人類利用納赫茲引力波探測(cè)宇宙的新窗口。
同時(shí)，該臺(tái)還將積極推進(jìn)FAST擴(kuò)展和升級(jí)，基于脈沖星測(cè)時(shí)陣列方法，實(shí)現(xiàn)納赫茲引力波事件的常規(guī)觀測(cè)，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(cè)研究新紀(jì)元，將中國加快建設(shè)成為引力波天文和射電天文強(qiáng)國。
我國前瞻布局為引力波探測(cè)奠定基礎(chǔ)
中國最早在2002年開展初步的脈沖星測(cè)時(shí)陣前期調(diào)研。2016年6月，中科院對(duì)納赫茲引力波探測(cè)研究進(jìn)行系統(tǒng)布局，部署了“多波段引力波宇宙研究”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，2019年9月，中國天眼FAST還處于調(diào)試階段，中國脈沖星測(cè)時(shí)陣列研究團(tuán)隊(duì)就聯(lián)合FAST調(diào)試工作組開始試觀測(cè)，盡可能早地為探測(cè)納赫茲引力波積累觀測(cè)數(shù)據(jù)。
2020年科技部通過平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡（SKA）專項(xiàng)部署“脈沖星測(cè)時(shí)和檢驗(yàn)引力理論”科研任務(wù)，利用FAST等國內(nèi)射電望遠(yuǎn)鏡組成望遠(yuǎn)鏡陣列，開展陣列望遠(yuǎn)鏡脈沖星測(cè)時(shí)和納赫茲引力波探測(cè)的預(yù)先研究。2020年國家自然科學(xué)基金委員會(huì)通過FAST專項(xiàng)重點(diǎn)部署“基于FAST的脈沖星前沿物理問題研究”，開展脈沖星物理特性和測(cè)時(shí)噪聲研究，進(jìn)一步提高脈沖星測(cè)時(shí)精度。
此外，中科院國家天文臺(tái)10年來全力做好 FAST建設(shè)調(diào)試、開放運(yùn)行和科學(xué)研究工作，已取得一系列具有國際影響力的重大成果。
來源：科技日?qǐng)?bào)、央視新聞、中國科學(xué)報(bào)、中國新聞網(wǎng)
