近日，由中國科學(xué)院國家天文臺等單位科研人員組成的中國脈沖星測時(shí)陣列（CPTA）研究團(tuán)隊(duì)利用中國天眼FAST，探測到納赫茲引力波存在的關(guān)鍵性證據(jù)，表明我國納赫茲引力波研究與國際同步達(dá)到領(lǐng)先水平。相關(guān)論文6月29日在我國天文學(xué)術(shù)期刊《天文與天體物理學(xué)研究》（RAA）在線發(fā)表。

納赫茲引力波是引力波的一種，而引力波是由加速運(yùn)動的有質(zhì)量物體擾動周圍的時(shí)空而產(chǎn)生時(shí)空的漣漪。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(shí)空的基本物理原理。

在此次研究中，CPTA團(tuán)隊(duì)利用FAST對57顆毫秒脈沖星進(jìn)行了長期系統(tǒng)性監(jiān)測，并將這些毫秒脈沖星組成了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(tuán)隊(duì)基于獨(dú)立開發(fā)的軟件，對 FAST收集的時(shí)間跨度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)了具有納赫茲引力波特征的四極相關(guān)信號的證據(jù)。

引力波信號極其微弱，卻是探測宇宙中不發(fā)光物質(zhì)的直接手段，探測引力波并且開辟引力波觀測宇宙的新窗口是天文學(xué)家長期以來追求的目標(biāo)。20世紀(jì)70至80年代，引力波的存在通過觀測脈沖雙星系統(tǒng)的軌道變化得以間接證實(shí)，并獲得了1993年諾貝爾物理學(xué)獎。2016年，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）宣布在百赫茲頻段探測到恒星級質(zhì)量雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波，并因此獲得2017年諾貝爾物理學(xué)獎。更大質(zhì)量的天體產(chǎn)生的引力波頻率更低。例如，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)（億到千億倍太陽質(zhì)量）繞轉(zhuǎn)產(chǎn)生的引力波主要集中在納赫茲頻段，相應(yīng)的信號時(shí)標(biāo)為年到幾十年。在這個(gè)頻段內(nèi)，還有宇宙早期原初引力波殘存至今的部分和宇宙弦等奇異對象產(chǎn)生的引力波。

開辟納赫茲引力波探測宇宙的新窗口對于理解超大質(zhì)量黑洞、星系并合歷史、宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成等問題具有重要意義。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，對它的探測十分具有挑戰(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(shí)觀測，是納赫茲引力波目前已知的唯一探測手段。發(fā)現(xiàn)納赫茲引力波是國際物理和天文領(lǐng)域競賽的焦點(diǎn)之一。國際上，北美NANOGrav、歐洲EPTA、澳大利亞PPTA利用各自的大型射電望遠(yuǎn)鏡，已分別開展了長達(dá)20年的納赫茲引力波搜尋。近幾年，印度脈沖星測時(shí)陣列（InPTA）和南非脈沖星測時(shí)陣列（SAPTA）也加入了這一激烈的競爭。中國脈沖星測時(shí)陣列（CPTA）于2019年開始依托FAST進(jìn)行納赫茲引力波探測。此次，國際上其他脈沖星測時(shí)陣列合作組，包括EPTA-InPTA、NANOGrav和PPTA也將和中國科學(xué)院國家天文臺同一天宣布相類似的結(jié)果。

脈沖星測時(shí)陣探測納赫茲引力波的靈敏度強(qiáng)烈依賴于觀測時(shí)間跨度，即靈敏度隨著觀測時(shí)間跨度的增長而迅速增加。CPTA研究團(tuán)隊(duì)面對觀測時(shí)間跨度遠(yuǎn)短于美、歐、澳三個(gè)國際團(tuán)隊(duì)的局面，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，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)勢彌補(bǔ)了時(shí)間跨度上的差距，使我國納赫茲引力波探測靈敏度很快達(dá)到了與美、歐、澳相當(dāng)?shù)乃?，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)此次重大科學(xué)突破。NANOGrav、EPTA-InPTA、PPTA數(shù)據(jù)積累時(shí)間為15~25年，CPTA為3年5個(gè)月；具有納赫茲引力波特征的四極相關(guān)信號的置信度，其他3個(gè)團(tuán)隊(duì)最高為4σ（σ為觀測結(jié)果的置信度，數(shù)值越大置信度越高），而CPTA為4.6σ。不過，受限于當(dāng)前觀測數(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)觀測數(shù)據(jù)時(shí)間跨度的增加而解決。同時(shí)，由于CPTA現(xiàn)有數(shù)據(jù)時(shí)間跨度較短，未來數(shù)據(jù)時(shí)間跨度增長帶來的效果會更明顯。例如，如果數(shù)據(jù)時(shí)間跨度再增長3年5個(gè)月，CPTA的數(shù)據(jù)時(shí)間跨度將翻倍，而其他國際團(tuán)隊(duì)僅增長不到20%。

我國最早在2002年開展了初步的脈沖星測時(shí)陣前期調(diào)研。2016年6月，中國科學(xué)院對納赫茲引力波探測研究進(jìn)行了前瞻、戰(zhàn)略和系統(tǒng)布局， 部署了“多波段引力波宇宙研究”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類），聯(lián)合國內(nèi)北京大學(xué)，中國科學(xué)院新疆天文臺、云南天文臺、上海天文臺、國家授時(shí)中心，廣州大學(xué)等多家相關(guān)單位組建了中國脈沖星測時(shí)陣列研究團(tuán)隊(duì)，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月成立FAST科學(xué)委員會，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)立了中國脈沖星測時(shí)陣列優(yōu)先和重大項(xiàng)目，提供觀測時(shí)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(shí)間跨度對探測納赫茲引力波非常重要，2019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，盡可能早地為探測納赫茲引力波積累觀測數(shù)據(jù)。此外，2020年科技部通過平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡（SKA）專項(xiàng)部署了“脈沖星測時(shí)和檢驗(yàn)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(shí)和納赫茲引力波探測的預(yù)先研究。2020年國家自然科學(xué)基金委通過FAST專項(xiàng)重點(diǎn)群部署了“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(shí)噪聲研究，進(jìn)一步提高脈沖星測時(shí)精度。

后續(xù)，中國科學(xué)院國家天文臺將充分發(fā)揮FAST脈沖星測時(shí)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，推進(jìn)國際脈沖星測時(shí)陣列合作，拓展提升FAST性能，打開人類利用納赫茲引力波探測宇宙的新窗口。

FAST探測到納赫茲引力波存在的關(guān)鍵性證據(jù)示意圖