全球熱資訊！“中國天眼”捕獲納赫茲引力波存在的關(guān)鍵證據(jù)，距離聽到亙古宇宙背景噪音僅一步之遙

作為一種低頻引力波，波長可長達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，需要基于長達數(shù)年的數(shù)據(jù)采集。

憑借中國天眼（FAST）的優(yōu)異探測性能，由中國科學院國家天文臺領銜的中國脈沖星測時陣列（CPTA）研究團隊通過分析中國天眼 3 年 5 個月的數(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，誤報率小于 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）。這表明我國在該領域的研究與國際同行同步達到領先水平。

【資料圖】

隨著后續(xù)數(shù)據(jù)時間跨度增長，CPTA 團隊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 " 獨有預言 " 終于實現(xiàn)

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

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。天文學家預測，當星系并合時，這些黑洞也會并合，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)量黑洞并合的獨有預言。然而，預言誕生幾十年，卻迄今未有確鑿的雙超大質(zhì)量黑洞并合的例子。" 北京大學科維理天文與天體物理研究所教授何子山向 CPTA 團隊表示由衷祝賀，" 這次 CPTA 終于實現(xiàn)了這個期待已久的預言 "，在這一國際物理和天文領域的激烈競爭中，拔得頭籌。

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

這次，CPTA 團隊發(fā)布的結(jié)果置信度為 4.6 西格瑪，離國際公認的探測標準 5 西格瑪還略有差距，" 這次我們暫時還不能確認納赫茲引力波的天體源頭。"CPTA 負責人、中國科學院國家天文臺與、北京大學天文系雙聘研究員李柯伽告訴記者，只需再經(jīng)過一段時間，進一步提高觀測數(shù)據(jù)的時間跨度，應該就能實現(xiàn)。

后來居上，望遠鏡優(yōu)勢彌補時間跨度短板

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

目前，利用大型射電望遠鏡對一批自轉(zhuǎn)極其規(guī)律的毫秒脈沖星進行長期測時觀測，是探測納赫茲引力波的唯一手段。

脈沖星是一種人類能探測到的、可靠的 " 宇宙計時器 "，它們快速旋轉(zhuǎn)，以精確的時間間隔發(fā)出射電波脈沖。引力波產(chǎn)生的時空漣漪，會使時空產(chǎn)生微小的拉伸和收縮，從而使脈沖星信號到達地球的實際時間與預期時間之間出現(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域的研究，并聯(lián)合多家國內(nèi)科研單位，組建 CPTA 團隊。" 中國科學院國家天文臺臺長、中國科學院院士常進提到，2019 年 9 月，F(xiàn)AST 尚未正式開放運行，CPTA 就聯(lián)合 FAST 調(diào)試工作組開始了試觀測。

"FAST 能同時檢測更多顆脈沖星、靈敏度高、測量精度高。同時，我們自主開發(fā)算法，以觀測數(shù)據(jù)精度和數(shù)據(jù)處理算法的優(yōu)勢，彌補時間跨度上的差距。" 李柯伽說，目前我國納赫茲引力波的探測靈敏度，已達到了與美、歐、澳相當?shù)乃健?p>2020 年 9 月，北美納赫茲引力波天文臺利用 47 顆脈沖星 12.5 年的觀測數(shù)據(jù)，宣稱測量到了納赫茲引力波，但最終卻未能證實。這次，CPTA 利用 FAST 對 57 顆毫秒脈沖星 3 年 5 個月的測量數(shù)據(jù)，探測到了引力波信號的關(guān)鍵證據(jù)。

"CPTA 的結(jié)果與超大質(zhì)量的雙黑洞系統(tǒng)的理論預期一致。" 中科院院士、國際廣義相對論和引力學會會士蔡榮根強調(diào)，最為重要的是，CPTA 團隊發(fā)現(xiàn)了信號中存在納赫茲引力波特有的四極矩關(guān)聯(lián)，置信度高達 4.6 西格瑪。

開啟 " 納赫茲引力波天文學 " 只是時間問題

就在 CPTA 宣布成果的同一天，美、歐 - 印、澳的脈沖星測時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宇宙的新窗口，只是時間問題。未來，這些區(qū)域性合作將進一步推進國際脈沖星測時陣列合作。

探測納赫茲引力波信號對于研究早期宇宙歷史、驗證大爆炸理論、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。

我國科研團隊僅用 3 年多的觀測數(shù)據(jù)，就追平國際領先水平，隨著 FAST 觀測時間跨度的不斷增加，我國探測納赫茲引力波的靈敏度還將迅速提升。

常進表示，未來，國家天文臺還將積極推進 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元，將我國加快建設成為引力波天文學和射電天文學的強國。

作者：許琦敏

圖片：除注明外，均為國家天文臺提供

責任編輯：任荃

* 文匯獨家稿件，轉(zhuǎn)載請注明出處。

關(guān)鍵詞：