近日，由中國科學院國家天文臺等單位科研人員組成的中國脈沖星測時陣列研究團隊利用中國天眼FAST，探測到納赫茲引力波存在的關鍵性證據，表明我國納赫茲引力波研究與國際同步達到領先水平。相關論文在我國天文學術期刊《天文與天體物理研究（RAA）》在線發表。

納赫茲引力波是引力波的一種

【資料圖】

根據愛因斯坦的廣義相對論，時空是可以彎曲的，有質量的物體在其中加速運動，擾動周圍的時空，就會產生引力波。這就好比石頭丟進水里會產生水波，引力波因此常被稱作“時空的漣漪”。

國家天文臺研究員、論文通訊作者李柯伽說：“納赫茲引力波是引力波的一種。對頻率低至納赫茲的引力波進行探測，將有助于天文學家理解宇宙結構的起源。”

引力波信號極其微弱，卻是探測宇宙中不發光物質的直接手段，探測引力波并且開辟引力波觀測宇宙的新窗口是天文學家長期以來追求的目標。20世紀70-80年代，引力波的存在通過觀測脈沖雙星系統的軌道變化得以間接證實，并獲得了1993年諾貝爾物理學獎。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量雙黑洞并合產生的引力波，并因此獲得了2017年諾貝爾物理學獎。2017年8月，美國激光干涉引力波天文臺又探測到了兩個中子星并合產生的引力波，除了引力波信號，全頻段的電磁輻射也被觀測到了，預示著多信使天文學時代的到來。

更大質量的天體產生的引力波頻率更低。李柯伽說：“例如，星系中心的超大質量雙黑洞系統，是宇宙中質量最大的天體，其質量是太陽的億到千億倍。它繞轉產生的引力波主要集中在納赫茲頻段，相應的信號時標為年到幾十年。在這個頻段內，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象產生的引力波。”

開辟納赫茲引力波探測宇宙的新窗口對于理解超大質量黑洞、星系并合歷史、宇宙大尺度結構形成等問題具有重大意義。

對納赫茲引力波的探測十分具有挑戰性

發現納赫茲引力波是國際物理和天文領域競賽的焦點之一。

國家天文臺助理研究員、論文第一作者胥恒說：“納赫茲引力波由于頻率極低、周期長達數年，其波長可達數光年，對它的探測十分具有挑戰性。利用大型射電望遠鏡對一批自轉極其規律的毫秒脈沖星進行長期測時觀測，是納赫茲引力波目前已知的唯一探測手段。”

國際上，北美納赫茲引力波天文臺、歐洲脈沖星測時陣列、澳大利亞帕克斯脈沖星測時陣列，利用各自的大型射電望遠鏡，已分別開展了長達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域，包括我國的中國脈沖星測時陣列，印度脈沖星測時陣列和南非脈沖星測時陣列。

在此次研究中，科研團隊利用中國天眼對57顆毫秒脈沖星進行了長期系統性監測，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器來搜尋納赫茲引力波。基于獨立開發的軟件，科研人員對中國天眼收集的時間跨度3年5個月的數據進行分析研究，在4.6西格瑪置信度水平（誤報率小于五十萬分之一）上發現了具有納赫茲引力波特征的四極相關信號的證據。

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。

研究團隊面對觀測時間跨度遠短于美、歐、澳三個國際團隊的不利局面，充分利用中國天眼靈敏度高、可監測脈沖星數目多、測量精度更高的優勢，長期系統地監測了一大批毫秒脈沖星，自主開發獨立數據分析軟件，以數據精度、脈沖星數量和數據處理算法上的優勢彌補了時間跨度上的差距，使我國納赫茲引力波探測靈敏度很快達到了與美、歐、澳相當的水平，從而同時實現此次重大科學突破。不過，受限于當前觀測數據較短的時間跨度，團隊暫時無法確定納赫茲波段引力波的主要物理來源，

“但這將隨著后續觀測數據時間跨度的增加而解決。”李柯伽說，“由于我們團隊現有數據時間跨度較短，所以數據時間跨度增長帶來的效果會更明顯，例如，如果數據時間跨度再增長3年5個月，我們的數據時間跨度將翻倍，而其他國際團隊僅增長不到20%。”

為引力波天體物理學打開了一個全新的窗口

2020年9月，北美納赫茲引力波天文臺利用47顆脈沖星12.5年的觀測數據，宣稱測量到納赫茲引力波的中心振幅為1.92x10^-15，頻率譜指數與超大質量雙黑洞系統的理論預期-2/3相符，但是信號中沒有看到引力波關鍵證據的四極矩關聯的Hellings-Downs曲線。

中國科學院院士蔡榮根說：“此次中國脈沖星測時陣列研究團隊的結果與超大質量的雙黑洞系統的理論預期一致。特別重要的是，團隊發現在4.6個標準偏差范圍內信號中四極矩關聯的存在性。”

蔡榮根告訴記者，通過數據的進一步積累，下一步一個關鍵的問題是去確定引力波譜指數。“如果譜指數是-2/3，則可以肯定探測到的引力波源是超大質量雙黑洞系統，這是首次觀測到宇宙中存在這樣的超大質量雙星系統，對理解這些雙星系統的形成和演化具有重要的意義。另外，除了超大質量的雙黑洞系統，理論研究表明還有豐富的物理過程會產生納赫茲頻段的引力波，如宇宙弦，宇宙籌壁，宇宙學相變，宇宙暴脹時期曲率漲落引起的隨機引力波等。要區分這些物理過程，其關鍵是確定引力波譜指數。”

北京大學講習教授何子山說：“產生納赫茲引力波是超大質量黑洞并合的獨有預言。這個期待已久的預言，終于被中國脈沖星測時陣列研究通過利用中國天眼獲得了觀測證據。這是一項重大的科學突破，具有持久的巨大意義。它不僅對星系演化和超大質量黑洞研究的廣泛領域具有深遠的影響，而且為引力波天體物理學打開了一個全新的窗口。”

后續，中國科學院國家天文臺將充分發揮中國天眼脈沖星測時精度國際領先優勢，加快納赫茲引力波探測科研攻關，積累更長期的觀測數據，逐步發表更高精度的探測結果，打開人類利用納赫茲引力波探測宇宙的新窗口。

中國科學院國家天文臺臺長、中國科學院院士常進說：“國家天文臺還將積極推進中國天眼擴展和升級，基于脈沖星測時陣列方法，實現納赫茲引力波事件的常規觀測，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，將我國加快建設成為引力波天文和射電天文的強國。”

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