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再(zai)獲(huo)世界级发现！中(zhong)國(guo)天(tian)眼(yan)“看(kan)見(jian)”引(yin)力(li)波(bo)蹤(zong)影(ying)

近(jin)日(ri)，由(you)中国科(ke)學(xue)院(yuan)国家(jia)天文(wen)臺(tai)等(deng)單(dan)位(wei)科研(yan)人(ren)員(yuan)組(zu)成(cheng)的(de)中国脈(mai)沖(chong)星(xing)測(ce)時(shi)陣(zhen)列(lie)研究(jiu)團(tuan)隊(dui)利(li)用(yong)中国天眼FAST，探(tan)测到(dao)納(na)赫(he)茲(zi)引力波存(cun)在(zai)的關(guan)鍵(jian)性(xing)證(zheng)據(ju)，表(biao)明(ming)我(wo)国纳赫兹引力波研究與(yu)国際(ji)同(tong)步(bu)達(da)到領(ling)先(xian)水(shui)平(ping)。相(xiang)关論(lun)文在我国天文学術(shu)期(qi)刊(kan)《天文与天體(ti)物(wu)理(li)研究（RAA）》在線(xian)发表。

纳赫兹引力波是(shi)引力波的壹(yi)種(zhong)

根(gen)据愛(ai)因(yin)斯(si)坦(tan)的廣(guang)義(yi)相對(dui)论，时空(kong)是可(ke)以(yi)彎(wan)曲(qu)的，有(you)質(zhi)量(liang)的物体在其(qi)中加(jia)速(su)運(yun)動(dong)，擾(rao)动周(zhou)圍(wei)的时空，就(jiu)會(hui)產(chan)生(sheng)引力波。這(zhe)就好(hao)比(bi)石(shi)頭(tou)丟(diu)進(jin)水裏(li)会产生水波，引力波因此(ci)常(chang)被(bei)稱(cheng)作(zuo)“时空的漣(lian)漪(yi)”。

国家天文台研究员、论文通(tong)訊(xun)作者(zhe)李(li)柯(ke)伽(jia)說(shuo)：“纳赫兹引力波是引力波的一种。对頻(pin)率(lv)低(di)至(zhi)纳赫兹的引力波进行(xing)探测，將(jiang)有助(zhu)於(yu)天文学家理解(jie)宇(yu)宙(zhou)結(jie)構(gou)的起(qi)源(yuan)。”

引力波信(xin)號(hao)極(ji)其微(wei)弱(ruo)，卻(que)是探测宇宙中不(bu)发光(guang)物质的直(zhi)接(jie)手(shou)段(duan)，探测引力波並(bing)且(qie)開(kai)辟(pi)引力波觀(guan)测宇宙的新(xin)窗(chuang)口(kou)是天文学家長(chang)期以來(lai)追(zhui)求(qiu)的目(mu)標(biao)。20世紀(ji)70-80年(nian)代(dai)，引力波的存在通過(guo)观测脉冲雙(shuang)星系(xi)統(tong)的軌(gui)道(dao)變(bian)化(hua)得(de)以間(jian)接证實(shi)，并获得了(le)1993年諾(nuo)貝(bei)爾(er)物理学獎(jiang)。2016年，美(mei)国激(ji)光幹(gan)涉(she)引力波天文台宣(xuan)布(bu)在百(bai)赫兹频段探测到恒(heng)星级质量双黑(hei)洞(dong)并合(he)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(yue)，美国激光干涉引力波天文台又(you)探测到了兩(liang)個(ge)中子(zi)星并合产生的引力波，除(chu)了引力波信号，全(quan)频段的電(dian)磁(ci)輻(fu)射(she)也(ye)被观测到了，預(yu)示(shi)著(zhe)多(duo)信使(shi)天文学时代的到来。

更(geng)大(da)质量的天体产生的引力波频率更低。李柯伽说：“例(li)如(ru)，星系中心(xin)的超(chao)大质量双黑洞系统，是宇宙中质量最(zui)大的天体，其质量是太(tai)陽(yang)的億(yi)到千(qian)亿倍(bei)。它(ta)繞(rao)轉(zhuan)产生的引力波主(zhu)要(yao)集(ji)中在纳赫兹频段，相應(ying)的信号时标為(wei)年到幾(ji)十(shi)年。在这个频段內(nei)，還(hai)可能(neng)有宇宙早(zao)期原(yuan)初(chu)引力波殘(can)存至今(jin)的部(bu)分(fen)和(he)宇宙弦(xian)等奇(qi)異(yi)对象(xiang)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、星系并合歷(li)史(shi)、宇宙大尺(chi)度(du)结构形(xing)成等問(wen)題(ti)具(ju)有重(zhong)大意(yi)义。

对纳赫兹引力波的探测十分具有挑(tiao)戰(zhan)性

发现纳赫兹引力波是国际物理和天文领域(yu)競(jing)賽(sai)的焦(jiao)點(dian)之(zhi)一。

国家天文台助理研究员、论文第(di)一作者胥(xu)恒说：“纳赫兹引力波由于频率极低、周期长达數(shu)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(xing)射电望(wang)遠(yuan)鏡(jing)对一批(pi)自(zi)转极其規(gui)律(lv)的毫(hao)秒(miao)脉冲星进行长期测时观测，是纳赫兹引力波目前(qian)已(yi)知(zhi)的唯(wei)一探测手段。”

国际上(shang)，北(bei)美纳赫兹引力波天文台、歐(ou)洲(zhou)脉冲星测时阵列、澳(ao)大利亞(ya)帕(pa)克(ke)斯脉冲星测时阵列，利用各(ge)自的大型射电望远镜，已分別(bie)开展(zhan)了长达20年的纳赫兹引力波搜(sou)尋(xun)。近期一些(xie)新生力量也逐(zhu)漸(jian)加入(ru)这一领域，包(bao)括(kuo)我国的中国脉冲星测时阵列，印(yin)度脉冲星测时阵列和南(nan)非(fei)脉冲星测时阵列。

在此次(ci)研究中，科研团队利用中国天眼对57顆(ke)毫秒脉冲星进行了长期系统性監(jian)测，并将这些毫秒脉冲星组成了銀(yin)河(he)系尺度大小(xiao)的引力波探测器(qi)来搜寻纳赫兹引力波。基(ji)于獨(du)立(li)开发的軟(ruan)件(jian)，科研人员对中国天眼收(shou)集的时间跨(kua)度3年5个月的数据进行分析(xi)研究，在4.6西(xi)格(ge)瑪(ma)置(zhi)信度水平（誤(wu)報(bao)率小于五(wu)十萬(wan)分之一）上发现了具有纳赫兹引力波特(te)征(zheng)的四(si)极相关信号的证据。

脉冲星测时阵探测纳赫兹引力波的靈(ling)敏(min)度強(qiang)烈(lie)依(yi)賴(lai)于观测时间跨度——即(ji)灵敏度隨(sui)着观测时间跨度的增(zeng)长而(er)迅(xun)速增加。

研究团队面(mian)对观测时间跨度远短(duan)于美、欧、澳三(san)个国际团队的不利局(ju)面，充(chong)分利用中国天眼灵敏度高(gao)、可监测脉冲星数目多、测量精(jing)度更高的優(you)勢(shi)，长期系统地(di)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、脉冲星数量和数据處(chu)理算(suan)法(fa)上的优势彌(mi)補(bu)了时间跨度上的差(cha)距(ju)，使我国纳赫兹引力波探测灵敏度很(hen)快(kuai)达到了与美、欧、澳相當(dang)的水平，從(cong)而同时实现此次重大科学突(tu)破(po)。不过，受(shou)限(xian)于当前观测数据較(jiao)短的时间跨度，团队暫(zan)时無(wu)法確(que)定(ding)纳赫兹波段引力波的主要物理来源，

“但(dan)这将随着後(hou)續(xu)观测数据时间跨度的增加而解決(jue)。” 李柯伽说，“由于我們(men)团队现有数据时间跨度较短，所(suo)以数据时间跨度增长帶(dai)来的效(xiao)果(guo)会更明顯(xian)，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(fan)倍，而其他(ta)国际团队僅(jin)增长不到20%。”

为引力波天体物理学打(da)开了一个全新的窗口

2020年9月，北美纳赫兹引力波天文台利用47颗脉冲星12.5年的观测数据，宣称测量到纳赫兹引力波的中心振(zhen)幅(fu)为1.92 x 10^-15，频率譜(pu)指(zhi)数与超大质量双黑洞系统的理论预期-2/3相符(fu)，但是信号中沒(mei)有看到引力波关键证据的四极矩(ju)关聯(lian)的Hellings-Downs 曲线。

中国科学院院士(shi)蔡(cai)榮(rong)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(zhi)。特别重要的是，团队发现在4.6个标準(zhun)偏(pian)差範(fan)围内信号中四极矩关联的存在性。”

蔡荣根告(gao)訴(su)記(ji)者，通过数据的进一步積(ji)累(lei)，下(xia)一步一个关键的问题是去(qu)确定引力波谱指数。“如果谱指数是-2/3，則(ze)可以肯(ken)定探测到的引力波源是超大质量双黑洞系统，这是首(shou)次观测到宇宙中存在这樣(yang)的超大质量双星系统，对理解这些双星系统的形成和演(yan)化具有重要的意义。另(ling)外(wai)，除了超大质量的双黑洞系统，理论研究表明还有豐(feng)富(fu)的物理过程(cheng)会产生纳赫兹频段的引力波，如宇宙弦，宇宙籌(chou)壁(bi)，宇宙学相变，宇宙暴(bao)脹(zhang)时期曲率漲(zhang)落(luo)引起的随機(ji)引力波等。要區(qu)分这些物理过程，其关键是确定引力波谱指数。”

北京(jing)大学講(jiang)習(xi)教(jiao)授(shou)何(he)子山(shan)说：“产生纳赫兹引力波是超大质量黑洞并合的独有预言(yan)。这个期待(dai)已久(jiu)的预言，終(zhong)于被中国脉冲星测时阵列研究通过利用中国天眼获得了观测证据。这是一項(xiang)重大的科学突破，具有持(chi)久的巨(ju)大意义。它不仅对星系演化和超大质量黑洞研究的广泛(fan)领域具有深(shen)远的影響(xiang)，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揮(hui)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(gong)关，积累更长期的观测数据，逐步发表更高精度的探测结果，打开人類(lei)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(tui)进中国天眼擴(kuo)展和升(sheng)级，基于脉冲星测时阵列方(fang)法，实现纳赫兹引力波事(shi)件的常规观测，从而建(jian)成纳赫兹引力波天文台，并开啟(qi)更高灵敏度和更高分辨(bian)率的低频射电观测研究新纪元(yuan)，将我国加快建設(she)成为引力波天文和射电天文的强国。”

来源：人民(min)日报客(ke)戶(hu)端(duan)

責(ze)編(bian)：楊(yang)喻(yu)程

校(xiao)对： 高源返(fan)回(hui)搜狐(hu)，查(zha)看更多

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