FAST探測(cè)到納赫茲引力波存在的關(guān)鍵證據(jù)示意圖。國(guó)家天文臺(tái)供圖

■本報(bào)記者 甘曉

   在一場(chǎng)20年前就開(kāi)始的國(guó)際天文競(jìng)賽中，中國(guó)科學(xué)家后發(fā)先至，僅用3年5個(gè)月就成功驗(yàn)證40年前的理論預(yù)言——中國(guó)天眼FAST通過(guò)對(duì)57顆脈沖星的監(jiān)測(cè)，首次“看見(jiàn)”了來(lái)自深遠(yuǎn)宇宙的漣漪。

   6月29日，由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)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FAST探測(cè)到“納赫茲引力波”存在的關(guān)鍵證據(jù)。相關(guān)論文在我國(guó)天文學(xué)術(shù)期刊《天文與天體物理研究（RAA）》在線發(fā)表。與此同時(shí)，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3個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)同步發(fā)表了各自獨(dú)立獲得并且相互印證的結(jié)果。

   “人類(lèi)終于站在了期盼已久的納赫茲引力波觀測(cè)窗口前。”論文通訊作者、國(guó)家天文臺(tái)/北京大學(xué)研究員李柯伽和團(tuán)隊(duì)為此感到自豪，“我們利用中國(guó)自主設(shè)計(jì)和建造的大科學(xué)裝置開(kāi)展原創(chuàng)性研究，成果發(fā)表在中國(guó)本土的學(xué)術(shù)期刊上，我國(guó)在這一領(lǐng)域與國(guó)際同步達(dá)到領(lǐng)先水平。”

   尋找“納赫茲”

   愛(ài)因斯坦曾在廣義相對(duì)論中預(yù)言，加速運(yùn)動(dòng)的有質(zhì)量物體會(huì)擾動(dòng)周?chē)鷷r(shí)空而產(chǎn)生“漣漪”，這便是引力波。近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，全世界科學(xué)家都試圖從實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)引力波。

   “如果把宇宙比喻成一杯水，人類(lèi)已知的、能看見(jiàn)的東西只是其中一滴，絕大部分的宇宙是看不見(jiàn)的暗物質(zhì)、暗能量。”李柯伽介紹，“我們只有通過(guò)追蹤有‘質(zhì)量’物體的運(yùn)動(dòng)，才能揭開(kāi)宇宙的奧秘。”

   引力波具有不同的頻率和波長(zhǎng)，反映出不同的天文事件，探測(cè)方法也不盡相同。例如，2016年美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）首次在實(shí)驗(yàn)中直接觀測(cè)到引力波。其利用地面激光干涉儀能夠觀測(cè)到頻率較高、波長(zhǎng)較短的引力波，這些引力波由恒星級(jí)質(zhì)量的雙黑洞并合產(chǎn)生。

   而頻率更低、波長(zhǎng)更長(zhǎng)的引力波則由更大質(zhì)量天體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。作為宇宙中質(zhì)量最大的天體，星系中心的超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)繞轉(zhuǎn)產(chǎn)生的引力波主要集中在“納赫茲頻段”，即十億分之一赫茲。在天文學(xué)家看來(lái)，對(duì)納赫茲引力波進(jìn)行探測(cè)，有助于理解超大質(zhì)量黑洞的增長(zhǎng)、演化及并合過(guò)程。

   然而，由于頻率極低、周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)年，納赫茲引力波探測(cè)極具挑戰(zhàn)，全球科學(xué)家遲遲沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它的蹤跡。

    57顆脈沖星，3年5個(gè)月

   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)，是目前唯一能夠探測(cè)納赫茲引力波的手段。“超大質(zhì)量天體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的引力波會(huì)擾動(dòng)整個(gè)時(shí)空，也會(huì)改變脈沖星到達(dá)地球的時(shí)間信號(hào)，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行比較就可以判斷是不是引力波。”李柯伽向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹該研究的基本原理。

   早在1983年，天文學(xué)家曾提出理論預(yù)言，“四極相關(guān)信號(hào)”是引力波的特征證據(jù)。而隨著射電天文學(xué)的長(zhǎng)足發(fā)展，基于這一原理尋找納赫茲引力波逐漸成為科學(xué)界競(jìng)賽的焦點(diǎn)之一。

   近20年來(lái)，北美納赫茲引力波天文臺(tái)（NANOGrav）、歐洲脈沖星測(cè)時(shí)陣列（EPTA）、澳大利亞帕克斯脈沖星測(cè)時(shí)陣列（PPTA）都利用各自的大型射電望遠(yuǎn)鏡，分別開(kāi)展了納赫茲引力波搜尋。最近，又增加了中國(guó)脈沖星測(cè)時(shí)陣列、印度脈沖星測(cè)時(shí)陣列（InPTA）和南非脈沖星測(cè)時(shí)陣列（SAPTA）等新生力量。

   利用FAST，中國(guó)脈沖星測(cè)時(shí)陣列科研團(tuán)隊(duì)只用了3年5個(gè)月就達(dá)成目標(biāo)。他們圍繞57顆脈沖星的相關(guān)數(shù)據(jù)，自主開(kāi)發(fā)獨(dú)立軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。最終，在“4.6西格瑪置信度”水平上發(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)，誤報(bào)率小于五十萬(wàn)分之一，成功驗(yàn)證了40年前的理論預(yù)言。

   同時(shí)，探測(cè)到的引力波幅度極小，距離上相當(dāng)于1公里尺度引力波引起的擾動(dòng)約為百分之一個(gè)氫原子的大小，時(shí)間上則相當(dāng)于千萬(wàn)年尺度上變化1秒。

   李柯伽表示，受限于當(dāng)前觀測(cè)數(shù)據(jù)較短的時(shí)間跨度，科研團(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，但這一問(wèn)題將隨著后續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間跨度的增加被解決。

   有組織的基礎(chǔ)研究

   面對(duì)觀測(cè)時(shí)間跨度遠(yuǎn)短于國(guó)際團(tuán)隊(duì)的不利局面，中國(guó)科學(xué)家能夠取得此次重大突破，離不開(kāi)管理部門(mén)的大力支持、科研團(tuán)隊(duì)的通力合作以及科學(xué)家的長(zhǎng)期堅(jiān)守。

   國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士常進(jìn)總結(jié)：“這一重大科學(xué)突破的取得使我們清晰認(rèn)識(shí)到，前沿科學(xué)研究已經(jīng)進(jìn)入大科學(xué)時(shí)代，國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)向基礎(chǔ)研究前移。而基礎(chǔ)研究的組織化程度越來(lái)越高、目標(biāo)導(dǎo)向性越來(lái)越顯著，建制化、體制化科研的重要作用越發(fā)凸顯。”

   據(jù)了解，我國(guó)最早在2002年開(kāi)展了初步的脈沖星測(cè)時(shí)陣列前期調(diào)研；2016年中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)��?dòng)了“多波段引力波宇宙研究”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（B類(lèi)），并聯(lián)合多家相關(guān)單位組建了中國(guó)脈沖星測(cè)時(shí)陣列研究團(tuán)隊(duì)；2019年中國(guó)天眼FAST科學(xué)委員會(huì)成立后，繼續(xù)加快開(kāi)展納赫茲引力波探測(cè)協(xié)同攻關(guān)。同時(shí)，科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)也部署了相關(guān)科研項(xiàng)目。

   在納赫茲引力波探測(cè)攻關(guān)過(guò)程中，科研團(tuán)隊(duì)一方面不斷提高FAST對(duì)脈沖星的觀測(cè)精度，另一方面加快創(chuàng)新數(shù)據(jù)處理方法，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)時(shí)間跨度上的差距，使得我國(guó)納赫茲引力波探測(cè)靈敏度得以快速提高。

   一批“80后”“90后”的青年科學(xué)家也在此次攻關(guān)中逐漸成長(zhǎng)起來(lái)。作為中國(guó)脈沖星測(cè)時(shí)陣列負(fù)責(zé)人，“80后”的李柯伽2003年就投身該領(lǐng)域，歷經(jīng)“二十年磨一劍”的堅(jiān)持，終于實(shí)現(xiàn)了夢(mèng)想。

   “日復(fù)一日、年復(fù)一年的數(shù)據(jù)處理過(guò)程的確有些枯燥，但當(dāng)你一直認(rèn)為做的事情是重要的，就會(huì)始終胸懷信念。”論文第一作者、國(guó)家天文臺(tái)助理研究員、“90后”胥恒表示。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1088/1674-4527/acdfa5