中科院國家天文臺供圖
“中國天眼”（FAST）再度迎來重大突破。利用FAST觀測數(shù)據(jù)，我國脈沖星測時陣列（CPTA）研究團隊發(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到領先水平。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，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。
中國科學院院士、中國科學院國家天文臺臺長常進指出，納赫茲引力波主要是為人類打開了觀測宇宙的一個重要“窗口”，肯定會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問題。
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引力波成果動畫。來源：央視新聞
40年前理論預言被成功驗證
利用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，是目前唯一能夠探測納赫茲引力波的手段。
“超大質(zhì)量天體運動產(chǎn)生的引力波會擾動整個時空，也會改變脈沖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。”論文通訊作者、國家天文臺/北京大學研究員李柯伽介紹該研究的基本原理。
早在1983年，天文學家曾提出理論預言，“四極相關(guān)信號”是引力波的特征證據(jù)。而隨著射電天文學的長足發(fā)展，基于這一原理尋找納赫茲引力波逐漸成為科學界競賽的焦點之一。
利用FAST，CPTA研究團隊只用了3年5個月就達成目標。他們圍繞57顆脈沖星的相關(guān)數(shù)據(jù)，自主開發(fā)獨立軟件進行數(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)信號的證據(jù)，誤報率小于五十萬分之一，成功驗證了40年前的理論預言。
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來源：央視新聞
各國天文學家關(guān)注納赫茲引力波探測
1916年，愛因斯坦基于廣義相對論預言了引力波的存在。2016年，美國激光干涉引力波天文臺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年諾貝爾物理學獎。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，各國天文學家一直在為探測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鏡，已分別開展長達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領域，在中國最新發(fā)布“中國天眼”探測到納赫茲引力波存在關(guān)鍵證據(jù)的同時，國際上其他脈沖星測時陣列合作組，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
脈沖星測時陣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。CPTA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FAST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，并自主開發(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差距，使中國納赫茲引力波探測靈敏度很快達到與美、歐、澳相當?shù)乃?，從而同步實現(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，CPTA研究團隊暫時無法確定納赫茲波段引力波的主要物理來源，但這將隨著后續(xù)觀測數(shù)據(jù)時間跨度的增加而解決。
中科院國家天文臺表示，后續(xù)將充分發(fā)揮FAST脈沖星測時精度國際領先優(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，將中國加快建設成為引力波天文和射電天文強國。
我國前瞻布局為引力波探測奠定基礎
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系統(tǒng)布局，部署了“多波段引力波宇宙研究”戰(zhàn)略性先導科技專項，2019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研究團隊就聯(lián)合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)。
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，利用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FAST專項重點部署“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時噪聲研究，進一步提高脈沖星測時精度。
此外，中科院國家天文臺10年來全力做好 FAST建設調(diào)試、開放運行和科學研究工作，已取得一系列具有國際影響力的重大成果。
來源：科技日報、央視新聞、中國科學報、中國新聞網(wǎng)
