作為一種低頻引力波，波長可長達(dá)幾光年的納赫茲引力波是宇宙里亙古恒久的背景噪音。比起 2016 年人類最早發(fā)現(xiàn)的高頻引力波，它們更難被 " 收聽 " 到，需要基于長達(dá)數(shù)年的數(shù)據(jù)采集。

憑借中國天眼（FAST）的優(yōu)異探測(cè)性能，由中國科學(xué)院國家天文臺(tái)領(lǐng)銜的中國脈沖星測(cè)時(shí)陣列（CPTA）研究團(tuán)隊(duì)通過分析中國天眼 3 年 5 個(gè)月的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了納赫茲引力波存在的關(guān)鍵證據(jù)——具有納赫茲引力波特征的四極相關(guān)信號(hào)，誤報(bào)率小于 50 萬分之一。

論文于今天（6 月 29 日）在線發(fā)表于《天文與天體物理研究（RAA）》（RAA）。這表明我國在該領(lǐng)域的研究與國際同行同步達(dá)到領(lǐng)先水平。

【資料圖】

隨著后續(xù)數(shù)據(jù)時(shí)間跨度增長，CPTA 團(tuán)隊(duì)將有望確定納赫茲引力波的主要物理來源。這意味著，人類距離確定發(fā)現(xiàn)納赫茲引力波，可能只有一步之遙。

超大質(zhì)量黑洞并合 " 獨(dú)有預(yù)言 " 終于實(shí)現(xiàn)

自 2016 年引力波發(fā)現(xiàn)以來，目前世界上引力波探測(cè)有地面引力波、空間引力波、納赫茲引力波和極低頻引力波四個(gè)主要頻段，它們分別對(duì)應(yīng)不同物理過程，探測(cè)方式也不一樣。

在由無數(shù)恒星、星系組成的宇宙中，星系并合不時(shí)發(fā)生。大多數(shù)星系都有超大質(zhì)量黑洞，它們是宇宙中質(zhì)量最大的天體，其質(zhì)量是太陽的上億到千億倍。天文學(xué)家預(yù)測(cè)，當(dāng)星系并合時(shí)，這些黑洞也會(huì)并合，它們相互繞轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的引力波，就主要集中在納赫茲頻段（10 的 -9 次方赫茲）。

" 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。然而，預(yù)言誕生幾十年，卻迄今未有確鑿的雙超大質(zhì)量黑洞并合的例子。" 北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所教授何子山向 CPTA 團(tuán)隊(duì)表示由衷祝賀，" 這次 CPTA 終于實(shí)現(xiàn)了這個(gè)期待已久的預(yù)言 "，在這一國際物理和天文領(lǐng)域的激烈競爭中，拔得頭籌。

在這個(gè)領(lǐng)域中，北美納赫茲引力波天文臺(tái)（NANOGrav）、歐洲脈沖星測(cè)時(shí)陣列（EPTA）、澳洲帕克斯脈沖星測(cè)時(shí)陣列（PPTA）早在 20 年前就開始了觀測(cè)積累。而印度脈沖星測(cè)時(shí)陣列（InPTA）、南非脈沖星測(cè)時(shí)陣列（SAPTA）和中國脈沖星測(cè)時(shí)陣列（CPTA）則在近期才加入。

這次，CPTA 團(tuán)隊(duì)發(fā)布的結(jié)果置信度為 4.6 西格瑪，離國際公認(rèn)的探測(cè)標(biāo)準(zhǔn) 5 西格瑪還略有差距，" 這次我們暫時(shí)還不能確認(rèn)納赫茲引力波的天體源頭。"CPTA 負(fù)責(zé)人、中國科學(xué)院國家天文臺(tái)與、北京大學(xué)天文系雙聘研究員李柯伽告訴記者，只需再經(jīng)過一段時(shí)間，進(jìn)一步提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度，應(yīng)該就能實(shí)現(xiàn)。

后來居上，望遠(yuǎn)鏡優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)時(shí)間跨度短板

納赫茲引力波的周期可長達(dá)數(shù)年，波長可達(dá)好幾光年，因此其觀測(cè)極具挑戰(zhàn)性。

目前，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)行長期測(cè)時(shí)觀測(cè)，是探測(cè)納赫茲引力波的唯一手段。

脈沖星是一種人類能探測(cè)到的、可靠的 " 宇宙計(jì)時(shí)器 "，它們快速旋轉(zhuǎn)，以精確的時(shí)間間隔發(fā)出射電波脈沖。引力波產(chǎn)生的時(shí)空漣漪，會(huì)使時(shí)空產(chǎn)生微小的拉伸和收縮，從而使脈沖星信號(hào)到達(dá)地球的實(shí)際時(shí)間與預(yù)期時(shí)間之間出現(xiàn)極小的偏差。正是利用這微乎其微的偏差，天文學(xué)家得以探知納赫茲引力波的存在。

" 我國最早在 2016 年，就開始前瞻性布局這一領(lǐng)域的研究，并聯(lián)合多家國內(nèi)科研單位，組建 CPTA 團(tuán)隊(duì)。" 中國科學(xué)院國家天文臺(tái)臺(tái)長、中國科學(xué)院院士常進(jìn)提到，2019 年 9 月，F(xiàn)AST 尚未正式開放運(yùn)行，CPTA 就聯(lián)合 FAST 調(diào)試工作組開始了試觀測(cè)。

"FAST 能同時(shí)檢測(cè)更多顆脈沖星、靈敏度高、測(cè)量精度高。同時(shí)，我們自主開發(fā)算法，以觀測(cè)數(shù)據(jù)精度和數(shù)據(jù)處理算法的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)時(shí)間跨度上的差距。" 李柯伽說，目前我國納赫茲引力波的探測(cè)靈敏度，已達(dá)到了與美、歐、澳相當(dāng)?shù)乃健?p>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)量到了納赫茲引力波，但最終卻未能證實(shí)。這次，CPTA 利用 FAST 對(duì) 57 顆毫秒脈沖星 3 年 5 個(gè)月的測(cè)量數(shù)據(jù)，探測(cè)到了引力波信號(hào)的關(guān)鍵證據(jù)。

"CPTA 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。" 中科院院士、國際廣義相對(duì)論和引力學(xué)會(huì)會(huì)士蔡榮根強(qiáng)調(diào)，最為重要的是，CPTA 團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了信號(hào)中存在納赫茲引力波特有的四極矩關(guān)聯(lián)，置信度高達(dá) 4.6 西格瑪。

開啟 " 納赫茲引力波天文學(xué) " 只是時(shí)間問題

就在 CPTA 宣布成果的同一天，美、歐 - 印、澳的脈沖星測(cè)時(shí)陣列合作組也分別宣布了類似結(jié)果。這意味著，人類打開納赫茲引力波探測(cè)宇宙的新窗口，只是時(shí)間問題。未來，這些區(qū)域性合作將進(jìn)一步推進(jìn)國際脈沖星測(cè)時(shí)陣列合作。

探測(cè)納赫茲引力波信號(hào)對(duì)于研究早期宇宙歷史、驗(yàn)證大爆炸理論、獲得超大質(zhì)量黑洞碰撞并合信息、研究星系并合以及進(jìn)一步研究宇宙各種引力波類型的性質(zhì)等具有重要意義。

我國科研團(tuán)隊(duì)僅用 3 年多的觀測(cè)數(shù)據(jù)，就追平國際領(lǐng)先水平，隨著 FAST 觀測(cè)時(shí)間跨度的不斷增加，我國探測(cè)納赫茲引力波的靈敏度還將迅速提升。

常進(jìn)表示，未來，國家天文臺(tái)還將積極推進(jìn) FAST 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，將我國加快建設(shè)成為引力波天文學(xué)和射電天文學(xué)的強(qiáng)國。

作者：許琦敏

圖片：除注明外，均為國家天文臺(tái)提供

責(zé)任編輯：任荃

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