記者6月29日從中國(guó)科學(xué)院(中科院)國(guó)家天文臺(tái)獲悉，由該臺(tái)牽頭組建的中國(guó)脈沖星測(cè)時(shí)陣列(CPTA)研究團(tuán)隊(duì)利用被譽(yù)為“中國(guó)天眼”的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)，最近探測(cè)到納赫茲引力波存在的關(guān)鍵性證據(jù)，表明中國(guó)納赫茲引力波研究已經(jīng)與國(guó)際領(lǐng)先水平同步。
這項(xiàng)納赫茲引力波研究重要成果論文，當(dāng)天在中國(guó)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(duì)頻率低至納赫茲的引力波進(jìn)行探測(cè)，將有助于天文學(xué)家理解宇宙結(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)性
中科院國(guó)家天文臺(tái)介紹說，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)其探測(cè)十分具有挑戰(zhàn)性。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(zhǎng)期測(cè)時(shí)觀測(cè)，是納赫茲引力波目前所知的唯一探測(cè)手段，發(fā)現(xiàn)納赫茲引力波也是國(guó)際物理和天文領(lǐng)域競(jìng)賽的焦點(diǎn)之一。
在此次研究中，CPTA團(tuán)隊(duì)利用FAST對(duì)57顆毫秒脈沖星進(jìn)行長(zhǎng)期系統(tǒng)性監(jiān)測(cè)，并將這些毫秒脈沖星組成銀河系尺度大小的引力波探測(cè)器來搜尋納赫茲引力波。該團(tuán)隊(duì)基于獨(dú)立開發(fā)的軟件，對(duì) FAST收集的時(shí)間跨度為3年5個(gè)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(bào)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(hào)的證據(jù)。
中科院理論物理研究所所長(zhǎng)蔡榮根院士指出，這次CTPA團(tuán)隊(duì)利用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。
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(dú)有預(yù)言，這個(gè)期待已久的預(yù)言，最近終于被CPTA通過利用FAST找到了觀測(cè)證據(jù)。它不僅對(duì)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(gè)全新的窗口。
FAST將拓展建成納赫茲引力波天文臺(tái)
脈沖星測(cè)時(shí)陣探測(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。CPTA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FAST靈敏度高、可監(jiān)測(cè)脈沖星數(shù)目多、測(cè)量精度更高的優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)期系統(tǒng)地監(jiān)測(cè)了一大批毫秒脈沖星，并自主開發(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)間跨度上的差距，使中國(guó)納赫茲引力波探測(cè)靈敏度很快達(dá)到與美、歐、澳相當(dāng)?shù)乃?，從而同步?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，CPTA團(tuán)隊(duì)暫時(shí)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(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間跨度的增加而解決。
中科院國(guó)家天文臺(tái)表示，后續(xù)將充分發(fā)揮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)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)。
前瞻布局為引力波探測(cè)奠定基礎(chǔ)
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CPTA研究團(tuán)隊(duì)，為利用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，F(xiàn)AST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，F(xiàn)AST還處于調(diào)試階段，CPTA團(tuán)隊(duì)就聯(lián)合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FAST專項(xiàng)重點(diǎn)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(cè)時(shí)噪聲研究，進(jìn)一步提高脈沖星測(cè)時(shí)精度。
在國(guó)際上，美國(guó)、歐洲、澳大利亞利用各自大型射電望遠(yuǎn)鏡，已分別開展長(zhǎng)達(dá)20年的納赫茲引力波搜尋，近期包括中國(guó)、印度、南非等新生力量也逐漸加入引力波探測(cè)領(lǐng)域，在中國(guó)最新發(fā)布“中國(guó)天眼”探測(cè)到納赫茲引力波存在關(guān)鍵證據(jù)的同時(shí)，國(guó)際上其他脈沖星測(cè)時(shí)陣列合作組，也分別宣布相類似的結(jié)果。
中科院國(guó)家天文臺(tái)10年來全力做好 FAST建設(shè)調(diào)試、開放運(yùn)行和科學(xué)研究工作，已取得一系列具有國(guó)際影響力的重大成果。未來，CPTA團(tuán)隊(duì)將推進(jìn)國(guó)際脈沖星測(cè)時(shí)陣列合作，期待脈沖星測(cè)時(shí)陣列將很快為人類探索宇宙打開納赫茲引力波觀測(cè)新窗口。