再立新功！FAST纳赫兹引力波搜寻研究取得重大突破

来源： 光明网


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光明网讯（记者宋雅娟 肖春芳）引力波是由加速运动的有质量物体扰动周围的时空而产生时空的涟漪，类似于水中传播的波浪。引力波的频率范围非常广泛，从纳赫兹到数千赫兹，涵盖了不同的物理过程和天文现象。其中，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，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。

不过，相比于其他频率范围的引力波，纳赫兹引力波频率更低，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。目前尚没有直接探测到这类引力波的地面实验设备，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，是已知的唯一探测手段。

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。相关论文6月29日在我国天文学术期刊《天文与天体物理研究（RAA）》在线发表。与此同时，来自欧洲-印度、北美和澳大利亚等国家和地区的另外3个国际团队同步发表了各自独立获得并且相互印证的结果。

在此次研究中，CPTA团队利用FAST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。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。

目前我们已知的宇宙中，纳赫兹引力波来源于星系中心的超大质量双黑洞系统（亿到千亿倍太阳质量）相互绕转及并合，还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。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。这也使得发现纳赫兹引力波成为国际物理和天文领域竞赛的焦点之一。国际上，美国NANOGrav、欧洲EPTA、澳大利亚PPTA，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，包括我国的CPTA，印度InPTA和南非SAPTA。

脉冲星测时阵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、澳三个国际团队的不利局面，CPTA研究团队充分利用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。

不过，受限于当前观测数据较短的时间跨度，CPTA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加而解决。由于CPTA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，CPTA的数据时间跨度将翻倍，而其他国际团队仅增长不到20%。

中国科学院院士蔡荣根表示，下一步，通过数据的进一步积累，一个关键的问题是去确定引力波谱指数，这蕴含着引力波源的丰富物理。如果谱指数是-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，这将是首次观测到宇宙中存在这样的超大质量双星系统。这对理解这些双星系统的形成和演化具有重要的意义。

据介绍，后续，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。同时，国家天文台还将积极推进FAST扩展和升级，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的强国。

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