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)論文在我國(guó)天文學(xué)術(shù)期刊《天文與天體物理研究（RAA）》在線發(fā)表。
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納赫茲引力波是引力波的一種
根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)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(guó)家天文臺(tái)研究員、論文通訊作者李柯伽說(shuō)：“納赫茲引力波是引力波的一種。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?！?/p>
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)70-80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)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)。2017年8月，美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)又探測(cè)到了兩個(gè)中子星并合產(chǎn)生的引力波，除了引力波信號(hào)，全頻段的電磁輻射也被觀測(cè)到了，預(yù)示著多信使天文學(xué)時(shí)代的到來(lái)。
更大質(zhì)量的天體產(chǎn)生的引力波頻率更低。李柯伽說(shuō)：“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(yáng)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(hào)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(duì)象產(chǎn)生的引力波?！?/p>
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)題具有重大意義。
對(duì)納赫茲引力波的探測(cè)十分具有挑戰(zhàn)性
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)家天文臺(tái)助理研究員、論文第一作者胥恒說(shuō)：“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。”
國(guó)際上，北美納赫茲引力波天文臺(tái)、歐洲脈沖星測(cè)時(shí)陣列、澳大利亞帕克斯脈沖星測(cè)時(shí)陣列，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。近期一些新生力量也逐漸加入這一領(lǐng)域，包括我國(guó)的中國(guó)脈沖星測(cè)時(shí)陣列，印度脈沖星測(cè)時(shí)陣列和南非脈沖星測(cè)時(shí)陣列。
在此次研究中，科研團(tuán)隊(duì)利用中國(guó)天眼對(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?；讵?dú)立開(kāi)發(fā)的軟件，科研人員對(duì)中國(guó)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(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)。
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。
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)的不利局面，充分利用中國(guó)天眼靈敏度高、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。不過(guò)，受限于當(dāng)前觀測(cè)數(shù)據(jù)較短的時(shí)間跨度，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?！?李柯伽說(shuō)，“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(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，我們的數(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%。”
為引力波天體物理學(xué)打開(kāi)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(cè)數(shù)據(jù)，宣稱測(cè)量到納赫茲引力波的中心振幅為1.92 x 10^-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(hào)中沒(méi)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(guó)科學(xué)院院士蔡榮根說(shuō)：“此次中國(guó)脈沖星測(cè)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(hào)中四極矩關(guān)聯(lián)的存在性?！?/p>
蔡榮根告訴記者，通過(guò)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步積累，下一步一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題是去確定引力波譜指數(shù)?！叭绻V指數(shù)是-2/3，則可以肯定探測(cè)到的引力波源是超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)，這是首次觀測(cè)到宇宙中存在這樣的超大質(zhì)量雙星系統(tǒng)，對(duì)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(guò)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(guò)程，其關(guān)鍵是確定引力波譜指數(shù)?！?/p>
北京大學(xué)講習(xí)教授何子山說(shuō)：“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(guó)脈沖星測(cè)時(shí)陣列研究通過(guò)利用中國(guó)天眼獲得了觀測(cè)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(duì)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(kāi)了一個(gè)全新的窗口。”
后續(xù)，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)將充分發(fā)揮中國(guó)天眼脈沖星測(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，打開(kāi)人類利用納赫茲引力波探測(cè)宇宙的新窗口。
中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士常進(jìn)說(shuō)：“國(guó)家天文臺(tái)還將積極推進(jìn)中國(guó)天眼擴(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(kāi)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，將我國(guó)加快建設(shè)成為引力波天文和射電天文的強(qiáng)國(guó)?！?/p>
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