中国天眼发现纳赫兹引力波存在的关键性证据

近日，由中国科学院国家天文台等单位科研人员组成的中国脉冲星测时阵列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。相关成果6月29日在学术期刊《天文和天体物理学研究》在线发表。

寻找“时空的涟漪”

根据爱因斯坦的广义相对论，时空是可以弯曲的，有质量的物体在其中加速运动，扰动周围的时空，就会产生引力波。这就好比石头丢进水里会产生水波，引力波因此常被称作“时空的涟漪”。

国家天文台研究员、论文通讯作者李柯伽说：“纳赫兹引力波是引力波的一种。对频率低至纳赫兹的引力波进行探测，将有助于天文学家理解宇宙结构的起源。”

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。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年诺贝尔物理学奖。2016年，美国激光干涉引力波天文台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年诺贝尔物理学奖。2017年8月，美国激光干涉引力波天文台又探测到了两个中子星并合产生的引力波，除了引力波信号，全频段的电磁辐射也被观测到了，预示着多信使天文学时代的到来。

更大质量的天体产生的引力波频率更低。李柯伽说：“例如，星系中心的超大质量双黑洞系统，是宇宙中质量最大的天体，它绕转产生的引力波主要集中在纳赫兹频段。在这个频段内，还可能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。

探测十分具有挑战性

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。

国家天文台助理研究员、论文第一作者胥恒说：“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。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。”

国际上，北美纳赫兹引力波天文台、欧洲脉冲星测时阵列、澳大利亚帕克斯脉冲星测时阵列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，包括中国脉冲星测时阵列、印度脉冲星测时阵列和南非脉冲星测时阵列。

在此次研究中，科研团队利用中国天眼对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来搜寻纳赫兹引力波。基于独立开发的软件，科研人员对中国天眼收集的时间跨度达3年5个月的数据进行分析研究，在4.6西格玛置信度水平（误报率小于五十万分之一）上发现了具有纳赫兹引力波特征的四极相关信号的证据。

脉冲星测时阵列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长而迅速增加。

面对观测时间跨度远短于美、欧、澳3个国际团队的不利局面，研究团队充分利用中国天眼灵敏度高、可监测脉冲星数目多、测量精度更高的优势，长期系统地监测了一大批毫秒脉冲星，自主开发独立数据分析软件，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不足，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，从而实现此次重大科学突破。不过，受限于当前观测数据较短的时间跨度，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长而解决。”李柯伽说，“由于我们团队现有数据时间跨度较短，所以数据时间跨度增长带来的效果会更明显，例如，如果数据时间跨度再增长3年5个月，我们的数据时间跨度将翻番，而其他国际团队仅增长不到20%。”

打开一个全新窗口

中国科学院院士蔡荣根说：“此次中国脉冲星测时阵列研究团队的结果与超大质量的双黑洞系统的理论预期一致。特别重要的是，团队发现在4.6个标准偏差范围内信号中四极矩关联的存在性。”

蔡荣根告诉记者，通过数据的进一步积累，下一步的关键问题是去确定引力波谱指数。“如果引力波谱指数是-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，这是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意义。另外，除了超大质量的双黑洞系统，理论研究表明还有丰富的物理过程会产生纳赫兹频段的引力波，如宇宙弦、宇宙学相变、宇宙暴胀时期曲率涨落引起的随机引力波等。要区分这些物理过程，其关键是确定引力波谱指数。”

北京大学讲习教授何子山说：“产生纳赫兹引力波是超大质量黑洞并合的独有预言。这个期待已久的预言，终于被中国脉冲星测时阵列研究团队通过中国天眼获得了观测证据。这是一项重大的科学突破，具有持久的巨大意义。它不仅对星系演化和超大质量黑洞研究的广泛领域具有深远影响，而且为引力波天体物理学打开了一个全新的窗口。”

后续，中国科学院国家天文台将充分发挥中国天眼脉冲星测时精度国际领先优势，加快纳赫兹引力波探测科研攻关，积累更长期的观测数据，逐步发表更高精度的探测结果，助力打开利用纳赫兹引力波探测宇宙的新窗口。

中国科学院国家天文台台长、中国科学院院士常进说：“国家天文台还将积极推进中国天眼拓展和升级，基于脉冲星测时阵列方法，实现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强国。”