“中国天眼”取得重大突破 纳赫兹引力波是什么意思

根据爱因斯坦在广义相对论中提出的假设预言，引力波是由加速运动的有质量物体扰动周围的时空产生时空的涟漪。纳赫兹引力波是引力波的一种，对这种引力波进行探测，有助于天文学家理解宇宙结构的起源，探测宇宙中最大质量的天体即超大质量黑洞的增长、演化及并合过程;也有助于物理学家洞察时空的基本物理原理。

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(CPTA)研究团队利用被称为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜(FAST)，探测到纳赫兹引力波存在的关键性证据。6月29日，相关论文在我国天文学术期刊《天文与天体物理研究(RAA)》在线发表。

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。

在此次研究中，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团队利用500米口径球面射电望远镜(FAST)“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。国家天文台/北京大学研究员、论文通讯作者李柯伽介绍说：“脉冲星自转的时候具有非常高的稳定性，因为它本身很重，转的又很快，体积又很小，对它造成扰动非常困难。利用这种转动的稳定性，我们能够把它当成标准，来测量时空对信号的扰动。”

该团队基于独立开发的软件，对FAST收集的时间跨度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。李柯伽表示，这意味着发现了纳赫兹引力波存在的关键证据。“我们主要是测到了这个信号的四极相关特征，测到了海林斯-唐斯曲线(Hellings-Downs curve)。理论告诉我们，如果是引力波导致的，我们会看到这个现象;如果不是引力波导致的，比如说是太阳系噪声导致的，则会看到别的东西。我们现在看到的这个东西‘长得’和引力波的预言一样，这是确定我们看到的信号是来源于引力波的重要的证据。”

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。美国、欧洲、澳大利亚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。来自美国、欧洲和澳大利亚的脉冲星测时阵列合作组也在29日宣布了与国家天文台相类似的成果。

中国脉冲星测时阵列团队面对观测时间跨度远短于美、欧、澳三个国际团队的不利局面，充分利用FAST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差距，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，从而同时实现此次重大科学突破。李柯伽介绍说：“FAST运行团队长时间的投入才能使得我们具有长时间、稳定的观测数据，这是最关键的。在这个基础上，基于FAST高灵敏度的特点，我们的数据精度比一般的百米级望远镜要好很多，我们就能在相对比较短的时间内，实现小望远镜需要非常长时间积累才能完成的科学目标。”

引力波信号是探测宇宙中不发光物质的直接手段。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。中国科学院国家天文台台长、中国科学院院士常进表示，中国科学院国家天文台将充分发挥FAST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，打开人类利用纳赫兹引力波探测宇宙的新窗口。“后面将进一步围绕纳赫兹引力波，开辟纳赫兹引力波天文学这一个新的科学方向， 将继续保持我国在低频射电天文学方面国际领先地位。”