CPTA團隊利用FAST探測到納赫茲引力波存在關(guān)鍵性證據(jù)的示意圖?！≈锌圃簢姨煳呐_ 供圖

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中新網(wǎng)北京6月29日電 (記者 孫自法)記者6月29日從中國科學(xué)院(中科院)國家天文臺獲悉，由該臺牽頭組建的中國脈沖星測時陣列(CPTA)研究團隊利用被譽為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)，最近探測到納赫茲引力波存在的關(guān)鍵性證據(jù)，表明中國納赫茲引力波研究已經(jīng)與國際領(lǐng)先水平同步。

這項納赫茲引力波研究重要成果論文，當(dāng)天在中國天文學(xué)術(shù)期刊《天文與天體物理研究》(RAA)在線發(fā)表。作為引力波的一種，對頻率低至納赫茲的引力波進(jìn)行探測，將有助于天文學(xué)家理解宇宙結(jié)構(gòu)的起源，探測宇宙中最大質(zhì)量的天體即超大質(zhì)量黑洞的增長、演化及并合過程，也有助于物理學(xué)家洞察時空的基本物理原理。

納赫茲引力波探測極具挑戰(zhàn)性

中科院國家天文臺介紹說，納赫茲引力波由于頻率極低、周期長達(dá)數(shù)年，其波長可達(dá)數(shù)光年，對其探測十分具有挑戰(zhàn)性。利用大型射電望遠(yuǎn)鏡對一批自轉(zhuǎn)極其規(guī)律的毫秒脈沖星進(jìn)行長期測時觀測，是納赫茲引力波目前所知的唯一探測手段，發(fā)現(xiàn)納赫茲引力波也是國際物理和天文領(lǐng)域競賽的焦點之一。

在此次研究中，CPTA團隊利用FAST對57顆毫秒脈沖星進(jìn)行長期系統(tǒng)性監(jiān)測，并將這些毫秒脈沖星組成銀河系尺度大小的引力波探測器來搜尋納赫茲引力波。該團隊基于獨立開發(fā)的軟件，對 FAST收集的時間跨度為3年5個月的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，在4.6西格瑪置信度水平(誤報率小于五十萬分之一)上發(fā)現(xiàn)具有納赫茲引力波特征的四極相關(guān)信號的證據(jù)。

中科院理論物理研究所所長蔡榮根院士指出，這次CTPA團隊利用FAST測量到引力波信號的關(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，一個關(guān)鍵的問題是去確定引力波的譜指數(shù)，這蘊含著引力波源的豐富物理。

北京大學(xué)何子山教授認(rèn)為，產(chǎn)生納赫茲引力波是超大質(zhì)量黑洞并合的獨有預(yù)言，這個期待已久的預(yù)言，最近終于被CPTA通過利用FAST找到了觀測證據(jù)。它不僅對星系演化和超大質(zhì)量黑洞研究的廣泛領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)影響，而且為引力波天體物理學(xué)打開一個全新的窗口。

CPTA團隊利用FAST探測到納赫茲引力波存在關(guān)鍵性證據(jù)的示意圖。　中科院國家天文臺 供圖

FAST將拓展建成納赫茲引力波天文臺

脈沖星測時陣探測納赫茲引力波的靈敏度強烈依賴于觀測時間跨度，即靈敏度隨著觀測時間跨度的增長而迅速增加。CPTA團隊面對觀測時間跨度遠(yuǎn)短于美國、歐洲、澳大利亞三個國際團隊的不利局面，充分利用FAST靈敏度高、可監(jiān)測脈沖星數(shù)目多、測量精度更高的優(yōu)勢，長期系統(tǒng)地監(jiān)測了一大批毫秒脈沖星，并自主開發(fā)獨立數(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)勢彌補了時間跨度上的差距，使中國納赫茲引力波探測靈敏度很快達(dá)到與美、歐、澳相當(dāng)?shù)乃剑瑥亩綄崿F(xiàn)此次重大科學(xué)突破。不過，受限于當(dāng)前觀測數(shù)據(jù)較短的時間跨度，CPTA團隊暫時無法確定納赫茲波段引力波的主要物理來源，但這將隨著后續(xù)觀測數(shù)據(jù)時間跨度的增加而解決。

中科院國家天文臺表示，后續(xù)將充分發(fā)揮FAST脈沖星測時精度國際領(lǐng)先優(yōu)勢，加快納赫茲引力波探測科研攻關(guān)，積累更長期的觀測數(shù)據(jù)，逐步發(fā)表更高精度的探測結(jié)果，打開人類利用納赫茲引力波探測宇宙的新窗口。

同時，該臺還將積極推進(jìn)FAST擴展和升級，基于脈沖星測時陣列方法，實現(xiàn)納赫茲引力波事件的常規(guī)觀測，從而建成納赫茲引力波天文臺，并開啟更高靈敏度和更高分辨率的低頻射電觀測研究新紀(jì)元，將中國加快建設(shè)成為引力波天文和射電天文強國。

前瞻布局為引力波探測奠定基礎(chǔ)

中國最早在2002年開展初步的脈沖星測時陣前期調(diào)研。2016年6月，中科院對納赫茲引力波探測研究進(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(B類)，中科院國家天文臺聯(lián)合北京大學(xué)和中科院新疆天文臺、云南天文臺、上海天文臺、國家授時中心以及廣州大學(xué)等組建CPTA研究團隊，為利用FAST探測納赫茲引力波開展科學(xué)和技術(shù)預(yù)研。

2019年6月，F(xiàn)AST科學(xué)委員會成立，進(jìn)一步凝練原創(chuàng)突破目標(biāo)，整合全國最優(yōu)秀青年科技力量，依托FAST組織開展體系化、建制化科研攻關(guān)，通過遴選評議設(shè)立中國脈沖星測時陣列優(yōu)先和重大項目、提供觀測時間，加快開展納赫茲引力波探測協(xié)同攻關(guān)。由于觀測數(shù)據(jù)積累的時間跨度對探測納赫茲引力波非常重要，為盡早開始積累觀測數(shù)據(jù)，當(dāng)年9月，F(xiàn)AST還處于調(diào)試階段，CPTA團隊就聯(lián)合FAST調(diào)試工作組開始試觀測，盡可能早地為探測納赫茲引力波積累觀測數(shù)據(jù)。

與此同時，2020年科技部通過平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡(SKA)專項部署“脈沖星測時和檢驗引力理論”科研任務(wù)，利用FAST等國內(nèi)射電望遠(yuǎn)鏡組成望遠(yuǎn)鏡陣列，開展陣列望遠(yuǎn)鏡脈沖星測時和納赫茲引力波探測的預(yù)先研究。2020年國家自然科學(xué)基金委員會通過FAST專項重點部署“基于FAST的脈沖星前沿物理問題研究”，開展脈沖星物理特性和測時噪聲研究，進(jìn)一步提高脈沖星測時精度。

在國際上，美國、歐洲、澳大利亞利用各自大型射電望遠(yuǎn)鏡，已分別開展長達(dá)20年的納赫茲引力波搜尋，近期包括中國、印度、南非等新生力量也逐漸加入引力波探測領(lǐng)域，在中國最新發(fā)布“中國天眼”探測到納赫茲引力波存在關(guān)鍵證據(jù)的同時，國際上其他脈沖星測時陣列合作組，也分別宣布相類似的結(jié)果。

中科院國家天文臺10年來全力做好 FAST建設(shè)調(diào)試、開放運行和科學(xué)研究工作，已取得一系列具有國際影響力的重大成果。未來，CPTA團隊將推進(jìn)國際脈沖星測時陣列合作，期待脈沖星測時陣列將很快為人類探索宇宙打開納赫茲引力波觀測新窗口。(完)