近日，由中国科学院国家天文台等单位的科研人员组成的中国脉冲星测时阵列（CPTA）研究团队利用中国天眼FAST，探测到纳赫兹引力波存在的关键性证据，表明我国纳赫兹引力波研究与国际同步达到领先水平。相关论文在线发表于我国天文学术期刊《天文与天体物理研究（RAA）》。
发现纳赫兹引力波是天文领域竞赛的焦点之一
引力波是由加速运动的有质量物体扰动周围的时空而产生的时空涟漪。引力波信号极其微弱，却是探测宇宙中不发光物质的直接手段，探测引力波并且开辟引力波观测宇宙的新窗口是天文学家长期以来追求的目标。
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20世纪70-80年代，引力波的存在通过观测脉冲双星系统的轨道变化得以间接证实，并获得了1993年的诺贝尔物理学奖。2016年，美国激光干涉引力波天文台（简称LIGO）宣布在百赫兹频段探测到恒星级质量双黑洞并合产生的引力波，并因此获得了2017年的诺贝尔物理学奖。
纳（10^-9）赫兹引力波是引力波的一种。据悉，更大质量的天体产生的引力波频率更低。例如，宇宙中质量最大的天体——星系中心的超大质量双黑洞系统（亿到千亿倍太阳质量）绕转产生的引力波主要集中在纳赫兹频段，相应的信号时标为年到几十年。在这个频段内，还有宇宙早期原初引力波残存至今的部分和宇宙弦等奇异对象产生的引力波。
开辟纳赫兹引力波探测宇宙的新窗口对于理解超大质量黑洞、星系并合历史、宇宙大尺度结构形成等问题具有重大意义。“纳赫兹引力波由于频率极低、周期长达数年，其波长可达数光年，对它的探测十分具有挑战性。”中国科学院国家天文台台长、中国科学院院士常进说，利用大型射电望远镜对一批自转极其规律的毫秒脉冲星进行长期测时观测，是纳赫兹引力波目前已知的唯一探测手段。
发现纳赫兹引力波是国际物理和天文领域竞赛的焦点之一。国际上，美国NANOGrav、欧洲EPTA、澳大利亚PPTA利用各自的大型射电望远镜，已分别开展了长达20年的纳赫兹引力波搜寻。近期，一些新生力量也逐渐加入这一领域，包括我国的CPTA、印度InPTA和南非SAPTA。
中国天眼FAST长期监测57颗毫秒脉冲星，团队独立开发数据分析软件助力取得成果
如何用脉冲星阵列探测引力波？论文通讯作者、国家天文台研究员、北京大学研究员李柯伽说，就好比蜘蛛在蜘蛛网上捕食猎物，蜘蛛的脚就相当于探测器，猎物爬过会引起蜘蛛网的振动，蜘蛛通过比较不同脚上感受到的振动，了解猎物的方向。“我们探测时空的触角就是这些脉冲星，当超大质量双黑洞产生绕转、扰动整个时空的时候，会改变脉冲星到达地球的时间信号，我们通过比较这些公共的信号，就能够判断探测到的情况到底是不是引力波。”
据悉，观测时间跨度越长，对探测纳赫兹引力波越有利。脉冲星测时阵探测纳赫兹引力波的灵敏度强烈依赖于观测时间跨度——即灵敏度随着观测时间跨度的增加而迅速增加。面对观测时间跨度远短于美、欧、澳三个国际团队的不利局面，CPTA研究团队充分利用中国天眼FAST灵敏度高、可监测脉冲星数目多、测量精度更高的优势，对57颗毫秒脉冲星进行了长期系统性监测，并将这些毫秒脉冲星组成了银河系尺度大小的引力波探测器，以此来搜寻纳赫兹引力波。
CPTA团队还基于独立开发的软件，对由中国天眼FAST收集、时间跨度达3年零5个月的数据进行分析研究，最终以数据精度、脉冲星数量和数据处理算法上的优势弥补了时间跨度上的差距，发现了具有纳赫兹引力波特征的四极相关信号的证据，使我国纳赫兹引力波探测灵敏度很快达到了与美、欧、澳相当的水平，从而同时实现了此次重大科学突破。
不过，受限于当前观测数据较短的时间跨度，CPTA团队暂时无法确定纳赫兹波段引力波的主要物理来源，但这将随着后续观测数据时间跨度的增加而得到解决。由于CPTA现有数据的时间跨度较短，所以数据时间跨度增长所带来的效果会更加明显，例如，如果数据时间跨度再增长3年零5个月，CPTA的数据时间跨度将翻倍，而其他国际团队相应的数据时间仅增长不到20%。
中国科学院院士蔡荣根在点评这一成果时表示，下一步，通过数据的进一步积累，一个关键的问题是去确定引力波谱指数，这蕴含着引力波源的丰富物理。如果谱指数是-2/3，则可以肯定探测到的引力波源是超大质量双黑洞系统，由此将实现首次观测到宇宙中存在这样的超大质量双星系统，对理解这些双星系统的形成和演化具有重要的意义。
■ 新闻内存：
中国天眼FAST调试阶段就已开始试观测
我国最早在2002年开展了初步的脉冲星测时阵前期调研。2016年6月，中国科学院对纳赫兹引力波的探测研究进行了前瞻、战略和系统布局，部署了“多波段引力波宇宙研究”战略性先导科技专项（B类），联合国内北京大学，中国科学院新疆天文台、云南天文台、上海天文台、国家授时中心，广州大学等多家相关单位，组建中国脉冲星测时阵列研究团队，为利用中国天眼FAST探测纳赫兹引力波开展了科学和技术预研。2019年6月，成立中国天眼FAST科学委员会，整合全国最优秀青年科技力量，依托中国天眼FAST组织开展体系化、建制化科研攻关，通过遴选评议设立了中国脉冲星测时阵列优先和重大项目、提供观测时间，加快开展纳赫兹引力波探测的协同攻关。
由于观测数据积累的时间跨度对探测纳赫兹引力波非常重要，为尽早开始积累观测数据，2019年9月，中国天眼FAST还处于调试阶段，CPTA团队就联合中国天眼FAST调试工作组开始试观测，尽可能早地为探测纳赫兹引力波积累观测数据。此外，2020年科技部通过平方公里阵列射电望远镜（SKA）专项部署了“脉冲星测时和检验引力理论”科研任务，利用中国天眼FAST等国内射电望远镜组成望远镜阵列，开展阵列望远镜脉冲星测时和纳赫兹引力波探测的预先研究。2020年，国家自然科学基金委通过中国天眼FAST专项重点群部署了“基于FAST的脉冲星前沿物理问题研究”任务，开展脉冲星物理特性和测时噪声研究，进一步提高脉冲星测时精度。
后续，中国科学院国家天文台将发挥中国天眼FAST脉冲星测时精度的国际领先优势，加快纳赫兹引力波探测的科研攻关，积累更长期的观测数据，逐步发表更高精度的探测结果，打开人类利用纳赫兹引力波探测宇宙的新窗口。国家天文台还将推进中国天眼FAST扩展和升级，基于脉冲星测时阵列方法，实现对纳赫兹引力波事件的常规观测，从而建成纳赫兹引力波天文台，并开启更高灵敏度和更高分辨率的低频射电观测研究新纪元，将我国加快建设成为引力波天文和射电天文研究领域的强国。
新京报记者 张璐
编辑 陈静 校对 杨许丽
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