FAST探測到納赫茲引力波存在的關(guān)鍵證據(jù)示意圖。國家天文臺供圖

■本報記者 甘曉

   在一場20年前就開始的國際天文競賽中，中國科學(xué)家后發(fā)先至，僅用3年5個月就成功驗證40年前的理論預(yù)言——中國天眼FAST通過對57顆脈沖星的監(jiān)測，首次“看見”了來自深遠(yuǎn)宇宙的漣漪。

   6月29日，由中國科學(xué)院國家天文臺（以下簡稱國家天文臺）等單位科研人員組成的中國脈沖星測時陣列（CPTA）研究團(tuán)隊，利用FAST探測到“納赫茲引力波”存在的關(guān)鍵證據(jù)。相關(guān)論文在我國天文學(xué)術(shù)期刊《天文與天體物理研究（RAA）》在線發(fā)表。與此同時，來自歐洲-印度、美國、澳大利亞等國家和地區(qū)的另外3個國際團(tuán)隊同步發(fā)表了各自獨立獲得并且相互印證的結(jié)果。

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

   尋找“納赫茲”

   愛因斯坦曾在廣義相對論中預(yù)言，加速運動的有質(zhì)量物體會擾動周圍時空而產(chǎn)生“漣漪”，這便是引力波。近一個世紀(jì)以來，全世界科學(xué)家都試圖從實驗中觀測引力波。

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

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

   而頻率更低、波長更長的引力波則由更大質(zhì)量天體的運動產(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，對納赫茲引力波進(jìn)行探測，有助于理解超大質(zhì)量黑洞的增長、演化及并合過程。

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

    57顆脈沖星，3年5個月

   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，是目前唯一能夠探測納赫茲引力波的手段。“超大質(zhì)量天體運動產(chǎn)生的引力波會擾動整個時空，也會改變脈沖星到達(dá)地球的時間信號，對這些信號進(jìn)行比較就可以判斷是不是引力波。”李柯伽向《中國科學(xué)報》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”是引力波的特征證據(jù)。而隨著射電天文學(xué)的長足發(fā)展，基于這一原理尋找納赫茲引力波逐漸成為科學(xué)界競賽的焦點之一。

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

   利用FAST，中國脈沖星測時陣列科研團(tuán)隊只用了3年5個月就達(dá)成目標(biāo)。他們圍繞57顆脈沖星的相關(guān)數(shù)據(jù)，自主開發(fā)獨立軟件進(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)信號的證據(jù)，誤報率小于五十萬分之一，成功驗證了40年前的理論預(yù)言。

   同時，探測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約為百分之一個氫原子的大小，時間上則相當(dāng)于千萬年尺度上變化1秒。

   李柯伽表示，受限于當(dāng)前觀測數(shù)據(jù)較短的時間跨度，科研團(tuán)隊暫時無法確定納赫茲波段引力波的主要物理來源，但這一問題將隨著后續(xù)觀測數(shù)據(jù)時間跨度的增加被解決。

   有組織的基礎(chǔ)研究

   面對觀測時間跨度遠(yuǎn)短于國際團(tuán)隊的不利局面，中國科學(xué)家能夠取得此次重大突破，離不開管理部門的大力支持、科研團(tuán)隊的通力合作以及科學(xué)家的長期堅守。

   國家天文臺臺長、中國科學(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)識到，前沿科學(xué)研究已經(jīng)進(jìn)入大科學(xué)時代，國際科技競爭向基礎(chǔ)研究前移。而基礎(chǔ)研究的組織化程度越來越高、目標(biāo)導(dǎo)向性越來越顯著，建制化、體制化科研的重要作用越發(fā)凸顯。”

   據(jù)了解，我國最早在2002年開展了初步的脈沖星測時陣列前期調(diào)研；2016年中國科學(xué)院啟動了“多波段引力波宇宙研究”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類），并聯(lián)合多家相關(guān)單位組建了中國脈沖星測時陣列研究團(tuán)隊；2019年中國天眼FAST科學(xué)委員會成立后，繼續(xù)加快開展納赫茲引力波探測協(xié)同攻關(guān)。同時，科技部、國家自然科學(xué)基金委員會也部署了相關(guān)科研項目。

   在納赫茲引力波探測攻關(guān)過程中，科研團(tuán)隊一方面不斷提高FAST對脈沖星的觀測精度，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)勢彌補時間跨度上的差距，使得我國納赫茲引力波探測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)中逐漸成長起來。作為中國脈沖星測時陣列負(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”的堅持，終于實現(xiàn)了夢想。

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

相關(guān)論文信息：

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