近日，由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)等單位科研人員組成的中國(guó)脈沖星測(cè)時(shí)陣列（CPTA）研究團(tuán)隊(duì)利用中國(guó)天眼FAST，探測(cè)到納赫茲引力波存在的關(guān)鍵性證據(jù)，表明我國(guó)納赫茲引力波研究與國(guó)際同步達(dá)到領(lǐng)先水平。相關(guān)論文6月29日在我國(guó)天文學(xué)術(shù)期刊《天文與天體物理學(xué)研究》（RAA）在線發(fā)表。

納赫茲引力波是引力波的一種，而引力波是由加速運(yùn)動(dòng)的有質(zhì)量物體擾動(dòng)周圍的時(shí)空而產(chǎn)生時(shí)空的漣漪。對(duì)頻率低至納赫茲的引力波進(jìn)行探測(cè)，將有助于天文學(xué)家理解宇宙結(jié)構(gòu)的起源，探測(cè)宇宙中最大質(zhì)量的天體即超大質(zhì)量黑洞的增長(zhǎng)、演化及并合過(guò)程，也有助于物理學(xué)家洞察時(shí)空的基本物理原理。

在此次研究中，CPTA團(tuán)隊(duì)利用FAST對(duì)57顆毫秒脈沖星進(jìn)行了長(zhǎng)期系統(tǒng)性監(jiān)測(cè)，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(cè)器來(lái)搜尋納赫茲引力波。該團(tuán)隊(duì)基于獨(dú)立開(kāi)發(fā)的軟件，對(duì) FAST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(wàn)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(hào)的證據(jù)。

引力波信號(hào)極其微弱，卻是探測(cè)宇宙中不發(fā)光物質(zhì)的直接手段，探測(cè)引力波并且開(kāi)辟引力波觀測(cè)宇宙的新窗口是天文學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)追求的目標(biāo)。20世紀(jì)70至80年代，引力波的存在通過(guò)觀測(cè)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(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）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)（億到千億倍太陽(yáng)質(zhì)量）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(hào)時(shí)標(biāo)為年到幾十年。在這個(gè)頻段內(nèi)，還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(duì)象產(chǎn)生的引力波。

開(kāi)辟納赫茲引力波探測(cè)宇宙的新窗口對(duì)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(wèn)題具有重要意義。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。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)，是納赫茲引力波目前已知的唯一探測(cè)手段。發(fā)現(xiàn)納赫茲引力波是國(guó)際物理和天文領(lǐng)域競(jìng)賽的焦點(diǎn)之一。國(guó)際上，北美NANOGrav、歐洲EPTA、澳大利亞PPTA利用各自的大型射電望遠(yuǎn)鏡，已分別開(kāi)展了長(zhǎng)達(dá)20年的納赫茲引力波搜尋。近幾年，印度脈沖星測(cè)時(shí)陣列（InPTA）和南非脈沖星測(cè)時(shí)陣列（SAPTA）也加入了這一激烈的競(jìng)爭(zhēng)。中國(guó)脈沖星測(cè)時(shí)陣列（CPTA）于2019年開(kāi)始依托FAST進(jìn)行納赫茲引力波探測(cè)。此次，國(guó)際上其他脈沖星測(cè)時(shí)陣列合作組，包括EPTA-InPTA、NANOGrav和PPTA也將和中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)同一天宣布相類似的結(jié)果。

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、歐、澳三個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)的局面，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，自主開(kāi)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，使我國(guó)納赫茲引力波探測(cè)靈敏度很快達(dá)到了與美、歐、澳相當(dāng)?shù)乃?，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)此次重大科學(xué)突破。NANOGrav、EPTA-InPTA、PPTA數(shù)據(jù)積累時(shí)間為15~25年，CPTA為3年5個(gè)月；具有納赫茲引力波特征的四極相關(guān)信號(hào)的置信度，其他3個(gè)團(tuán)隊(duì)最高為4σ（σ為觀測(cè)結(jié)果的置信度，數(shù)值越大置信度越高），而CPTA為4.6σ。不過(guò)，受限于當(dāng)前觀測(cè)數(shù)據(jù)較短的時(shí)間跨度，CPTA團(tuán)隊(duì)暫時(shí)無(wú)法確定納赫茲波段引力波的主要物理來(lái)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。同時(shí)，由于CPTA現(xiàn)有數(shù)據(jù)時(shí)間跨度較短，未來(lái)數(shù)據(jù)時(shí)間跨度增長(zhǎng)帶來(lái)的效果會(huì)更明顯。例如，如果數(shù)據(jù)時(shí)間跨度再增長(zhǎng)3年5個(gè)月，CPTA的數(shù)據(jù)時(shí)間跨度將翻倍，而其他國(guó)際團(tuán)隊(duì)僅增長(zhǎng)不到20%。

我國(guó)最早在2002年開(kāi)展了初步的脈沖星測(cè)時(shí)陣前期調(diào)研。2016年6月，中國(guó)科學(xué)院對(duì)納赫茲引力波探測(cè)研究進(jìn)行了前瞻、戰(zhàn)略和系統(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)（B類），聯(lián)合國(guó)內(nèi)北京大學(xué)，中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)、云南天文臺(tái)、上海天文臺(tái)、國(guó)家授時(shí)中心，廣州大學(xué)等多家相關(guān)單位組建了中國(guó)脈沖星測(cè)時(shí)陣列研究團(tuán)隊(duì)，為利用FAST探測(cè)納赫茲引力波開(kāi)展科學(xué)和技術(shù)預(yù)研。2019年6月成立FAST科學(xué)委員會(huì)，進(jìn)一步凝練原創(chuàng)突破目標(biāo)，整合全國(guó)最優(yōu)秀青年科技力量，依托FAST組織開(kāi)展體系化、建制化科研攻關(guān)，通過(guò)遴選評(píng)議設(shè)立了中國(guó)脈沖星測(cè)時(shí)陣列優(yōu)先和重大項(xiàng)目，提供觀測(cè)時(shí)間，加快開(kāi)展納赫茲引力波探測(cè)協(xié)同攻關(guān)。由于觀測(cè)數(shù)據(jù)積累的時(shí)間跨度對(duì)探測(cè)納赫茲引力波非常重要，2019年9月，F(xiàn)AST還處于調(diào)試階段，CPTA團(tuán)隊(duì)就聯(lián)合FAST調(diào)試工作組開(kāi)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)。此外，2020年科技部通過(guò)平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡（SKA）專項(xiàng)部署了“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(guó)內(nèi)射電望遠(yuǎn)鏡組成望遠(yuǎn)鏡陣列，開(kāi)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(guó)家自然科學(xué)基金委通過(guò)FAST專項(xiàng)重點(diǎn)群部署了“基于FAST的脈沖星前沿物理問(wèn)題研究”，開(kāi)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。

后續(xù)，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)將充分發(fā)揮FAST脈沖星測(cè)時(shí)精度國(guó)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，推進(jìn)國(guó)際脈沖星測(cè)時(shí)陣列合作，拓展提升FAST性能，打開(kāi)人類利用納赫茲引力波探測(cè)宇宙的新窗口。

FAST探測(cè)到納赫茲引力波存在的關(guān)鍵性證據(jù)示意圖