中國(guó)驕傲丨一眼望穿137億光年！中國(guó)天眼“看見”引力波蹤影 這是又一項(xiàng)世界級(jí)突破

【導(dǎo)語(yǔ)】作為世界上最大單口徑、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡，中國(guó)天眼FAST安靜地坐落在我國(guó)西南一隅，向宇宙深處發(fā)出最遙遠(yuǎn)的目光。從2016年落成啟用至今，中國(guó)天眼FAST已發(fā)現(xiàn)脈沖星超過800顆，是同一時(shí)期國(guó)際上所有其他望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)脈沖星總數(shù)的三倍以上；此外，還發(fā)現(xiàn)了首例持續(xù)活躍重復(fù)快速射電暴、迄今軌道周期最短脈沖星雙星系統(tǒng)……

近日，中國(guó)天眼FAST又有了新突破，由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)等單位科研人員組成的中國(guó)脈沖星測(cè)時(shí)陣列(CPTA)研究團(tuán)隊(duì)利用中國(guó)天眼FAST探測(cè)到納赫茲引力波存在的關(guān)鍵證據(jù)，表明我國(guó)納赫茲引力波探測(cè)和研究與國(guó)際同步達(dá)到領(lǐng)先水平，對(duì)人類探索宇宙意義深遠(yuǎn)。

中國(guó)天眼探測(cè)到引力波蹤影

2020年1月11日，被譽(yù)為中國(guó)天眼的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡通過驗(yàn)收，正式開放運(yùn)行。（圖源：新華社）

作為具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“大國(guó)重器”，中國(guó)天眼FAST——500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡可謂“獨(dú)步天下”，其綜合性能比世界上排名第二的美國(guó)阿雷西博望遠(yuǎn)鏡提高約10倍，能夠接收到137億光年以外的電磁信號(hào)，當(dāng)它睜開雙眼，億萬(wàn)光年以外的宇宙空間盡收眼底。

在一場(chǎng)20年前就開始的國(guó)際天文競(jìng)賽中，中國(guó)科學(xué)家后發(fā)先至，僅僅用了3年5個(gè)月就成功驗(yàn)證了40年前的理論預(yù)言，中國(guó)天眼FAST通過對(duì)銀河系中的57顆毫秒脈沖星進(jìn)行了長(zhǎng)期系統(tǒng)性監(jiān)測(cè)，首次“看見”了來(lái)自深遠(yuǎn)宇宙的漣漪——納赫茲引力波。

6月29日，中國(guó)脈沖星測(cè)時(shí)陣列研究團(tuán)隊(duì)宣布利用中國(guó)天眼FAST獨(dú)立找到了納赫茲引力波存在的關(guān)鍵證據(jù)。該團(tuán)隊(duì)充分利用中國(guó)天眼FAST靈敏度高、可監(jiān)測(cè)脈沖星數(shù)量多、測(cè)量精度更高的優(yōu)勢(shì)，基于自主開發(fā)的軟件進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析研究。在誤報(bào)率小于五十萬(wàn)分之一的前提下，發(fā)現(xiàn)了具有納赫茲引力波特征的四極相關(guān)信號(hào)的證據(jù)。

中國(guó)天眼探測(cè)到納赫茲引力波存在的關(guān)鍵證據(jù)示意圖。（圖源：中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)）

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)常進(jìn)介紹，證據(jù)就是脈沖星到達(dá)的時(shí)間，由于納赫茲引力波產(chǎn)生的時(shí)空漣漪，產(chǎn)生的這個(gè)晃動(dòng)。脈沖星角度的一個(gè)變化，這是納赫茲引力波存在的一個(gè)重要的依據(jù)。他們看到了這種變化。

中科院理論物理研究所所長(zhǎng)蔡榮根院士指出，這次科研人員利用中國(guó)天眼FAST測(cè)量到引力波信號(hào)的關(guān)鍵證據(jù)，結(jié)果與超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)的理論預(yù)期一致。下一步通過數(shù)據(jù)的進(jìn)一步積累，一個(gè)關(guān)鍵的問題是去確定引力波的譜指數(shù)，這蘊(yùn)含著引力波源的豐富物理。

同一時(shí)間，來(lái)自歐洲-印度、美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家和地區(qū)的另外三個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)也宣布獲得納赫茲引力波存在的關(guān)鍵證據(jù)。在天文學(xué)家看來(lái)，對(duì)納赫茲引力波進(jìn)行探測(cè)，將有助于理解宇宙結(jié)構(gòu)的起源，探測(cè)宇宙中最大質(zhì)量的天體即超大質(zhì)量黑洞的增長(zhǎng)、演化及并合過程；也有助于物理學(xué)家洞察時(shí)空的基本物理原理。

納赫茲引力波探測(cè)極具挑戰(zhàn)

納赫茲引力波是引力波的一種，是宇宙中一種極低頻擾動(dòng)，其頻率為10的負(fù)9次方赫茲。納赫茲引力波由于頻率極低、周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)年，其波長(zhǎng)可達(dá)數(shù)光年，對(duì)它的探測(cè)十分具有挑戰(zhàn)性。利用類似于中國(guó)天眼FAST這種大型射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)一批自轉(zhuǎn)極其規(guī)律的毫秒脈沖星進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)時(shí)觀測(cè)，是納赫茲引力波目前已知的唯一探測(cè)手段。

6月23日拍攝的中國(guó)天眼FAST全景（維護(hù)保養(yǎng)期間拍攝，無(wú)人機(jī)照片）。（圖源：新華社）

在國(guó)際上，北美納赫茲引力波天文臺(tái)、歐洲脈沖星測(cè)時(shí)陣列、澳大利亞帕克斯脈沖星測(cè)時(shí)陣列利用各自的大型射電望遠(yuǎn)鏡，已分別開展了長(zhǎng)達(dá)20年的納赫茲引力波搜尋。近期一些新生力量也逐漸加入這一領(lǐng)域，包括中國(guó)脈沖星測(cè)時(shí)陣列、印度脈沖星測(cè)時(shí)陣列和南非脈沖星測(cè)時(shí)陣列。

脈沖星測(cè)時(shí)陣列探測(cè)納赫茲引力波的靈敏度強(qiáng)烈依賴于觀測(cè)時(shí)間跨度——即靈敏度隨著觀測(cè)時(shí)間跨度的增長(zhǎng)而迅速增加。中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)面對(duì)觀測(cè)時(shí)間跨度遠(yuǎn)短于美國(guó)、歐洲、澳大利亞三個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)的不利局面，充分利用中國(guó)天眼FAST長(zhǎng)期系統(tǒng)地監(jiān)測(cè)了一大批毫秒脈沖星，自主開發(fā)獨(dú)立數(shù)據(jù)分析軟件，以數(shù)據(jù)精度、脈沖星數(shù)量和數(shù)據(jù)處理算法上的優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了時(shí)間跨度上的不足，使我國(guó)納赫茲引力波探測(cè)靈敏度很快達(dá)到了與美、歐、澳相當(dāng)?shù)乃?，從而?shí)現(xiàn)此次重大科學(xué)突破。

不過，受限于當(dāng)前觀測(cè)數(shù)據(jù)較短的時(shí)間跨度，團(tuán)隊(duì)暫時(shí)無(wú)法確定納赫茲波段引力波的主要物理來(lái)源?！暗@將隨著后續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間跨度的增長(zhǎng)而解決。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、北京大學(xué)研究員李柯伽說，“由于我們團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)時(shí)間跨度較短，所以數(shù)據(jù)時(shí)間跨度增長(zhǎng)帶來(lái)的效果會(huì)更明顯，例如，如果數(shù)據(jù)時(shí)間跨度再增長(zhǎng)3年5個(gè)月，我們的數(shù)據(jù)時(shí)間跨度將翻番，而其他國(guó)際團(tuán)隊(duì)僅增長(zhǎng)不到20%?！?/p>

有望打開探測(cè)宇宙的新窗口

晨曦中的中國(guó)天眼FAST全景（無(wú)人機(jī)照片，2022年7月25日維護(hù)保養(yǎng)期間拍攝）。（圖源：新華社）

中國(guó)最早在2002年開展初步的脈沖星測(cè)時(shí)陣前期調(diào)研。2016年6月，中科院對(duì)納赫茲引力波探測(cè)研究進(jìn)行前瞻、戰(zhàn)略和系統(tǒng)布局，部署“多波段引力波宇宙研究”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)，中科院國(guó)家天文臺(tái)聯(lián)合北京大學(xué)和中科院新疆天文臺(tái)、云南天文臺(tái)、上海天文臺(tái)、國(guó)家授時(shí)中心以及廣州大學(xué)等組建中國(guó)脈沖星測(cè)時(shí)陣列研究團(tuán)隊(duì)，為利用中國(guó)天眼FAST探測(cè)納赫茲引力波開展科學(xué)和技術(shù)預(yù)研。

2019年6月，中國(guó)天眼FAST科學(xué)委員會(huì)成立，進(jìn)一步凝練原創(chuàng)突破目標(biāo)，整合全國(guó)最優(yōu)秀青年科技力量，依托中國(guó)天眼FAST組織開展體系化、建制化科研攻關(guān)，通過遴選評(píng)議設(shè)立中國(guó)脈沖星測(cè)時(shí)陣列優(yōu)先和重大項(xiàng)目、提供觀測(cè)時(shí)間，加快開展納赫茲引力波探測(cè)協(xié)同攻關(guān)。由于觀測(cè)數(shù)據(jù)積累的時(shí)間跨度對(duì)探測(cè)納赫茲引力波非常重要，為盡早開始積累觀測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)年9月，中國(guó)天眼FAST還處于調(diào)試階段，中國(guó)脈沖星測(cè)時(shí)陣列團(tuán)隊(duì)就聯(lián)合中國(guó)天眼FAST調(diào)試工作組開始試觀測(cè)，盡可能早地為探測(cè)納赫茲引力波積累觀測(cè)數(shù)據(jù)。

與此同時(shí)，2020年科技部通過平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡(SKA)專項(xiàng)部署“脈沖星測(cè)時(shí)和檢驗(yàn)引力理論”科研任務(wù)，利用中國(guó)天眼FAST等國(guó)內(nèi)射電望遠(yuǎn)鏡組成望遠(yuǎn)鏡陣列，開展陣列望遠(yuǎn)鏡脈沖星測(cè)時(shí)和納赫茲引力波探測(cè)的預(yù)先研究。2020年國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)通過中國(guó)天眼FAST專項(xiàng)重點(diǎn)部署“基于中國(guó)天眼FAST的脈沖星前沿物理問題研究”，開展脈沖星物理特性和測(cè)時(shí)噪聲研究，進(jìn)一步提高脈沖星測(cè)時(shí)精度。

中科院國(guó)家天文臺(tái)表示，后續(xù)將充分發(fā)揮中國(guó)天眼FAST脈沖星測(cè)時(shí)精度國(guó)際領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，加快納赫茲引力波探測(cè)科研攻關(guān)，積累更長(zhǎng)期的觀測(cè)數(shù)據(jù)，逐步發(fā)表更高精度的探測(cè)結(jié)果，打開人類利用納赫茲引力波探測(cè)宇宙的新窗口。

同時(shí)，該臺(tái)還將積極推進(jìn)中國(guó)天眼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，將中國(guó)加快建設(shè)成為引力波天文和射電天文強(qiáng)國(guó)。

(資料來(lái)源：人民日?qǐng)?bào)、央視新聞、中新網(wǎng)、中國(guó)科學(xué)報(bào))