中國天眼FAST（500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡）又立一功！近日，由中國科學(xué)院國家天文臺(tái)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已與國際同步達(dá)到領(lǐng)先水平。相關(guān)論文在線發(fā)表于我國天文學(xué)術(shù)期刊《天文與天體物理研究（RAA）》上。

人類終于站在了期盼已久的納赫茲引力波宇宙觀測窗口前。那么，F(xiàn)AST是怎么探測到引力波的？納赫茲引力波探測與獲得2017年諾貝爾獎(jiǎng)的引力波探測有何不同？此次研究成果有什么重大意義？我們今天就來詳細(xì)了解。

引力波示意圖

(相關(guān)資料圖)

“時(shí)空的漣漪”助尋宇宙暗物質(zhì)

想知道引力波為何物，得先從一百多年前說起。

1915年，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對論，這個(gè)全新的理論告訴我們，引力是時(shí)空彎曲產(chǎn)生的結(jié)果——時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)，物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲。簡言之，廣義相對論里的引力不是“力”，是時(shí)空的一種彎曲效果。

我們可以把時(shí)空想象成平靜的水面，有質(zhì)量的物體能讓時(shí)空本身發(fā)生彎曲。如果宇宙中有質(zhì)量的物體發(fā)生劇烈的加速運(yùn)動(dòng)，如超新星爆發(fā)、兩個(gè)巨大星體發(fā)生碰撞、兩個(gè)致密星體并合（中子星與黑洞這類星體的碰撞與并合），就像是往平靜的水面扔進(jìn)了石頭，讓時(shí)空本身泛起“漣漪”?！皾i漪”攜帶著波源天體激烈動(dòng)蕩的信息和關(guān)于引力本質(zhì)的線索，以光速向遠(yuǎn)處傳播，這種時(shí)空“漣漪”就是引力波。

宇宙中發(fā)光的物質(zhì)非常少，大部分（95%左右）都是真正的、永恒的“黑暗”——暗物質(zhì)和暗能量，不管造多么先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡，這些“黑暗”人類都看不到。而引力波給人類提供了一種探索宇宙的新方式，讓我們知道在看不到的宇宙空間里發(fā)生了什么。

引力波可以直接跟蹤宇宙中有質(zhì)量物體的運(yùn)動(dòng)（不管是否可見），利用引力波觀測，我們就能夠捕捉到“黑暗”的蛛絲馬跡。比如，2015年人類第一次探測到的引力波GW150914，就是距離地球10億光年之外的一個(gè)遙遠(yuǎn)星系中兩個(gè)恒星級(jí)黑洞發(fā)生了并合。在以前，人類能知道這個(gè)過程，是不可想象的。

引力波不但大大擴(kuò)展了我們對宇宙的感知，對物理學(xué)也有重要意義。通過對引力波的探測，可以檢驗(yàn)?zāi)壳暗囊碚?，檢驗(yàn)人類對時(shí)間和空間的基本認(rèn)知是否正確。

探測引力波需要不同的“尺子”

探測引力波的基本原理是“引力波所經(jīng)過的區(qū)域，空間的長度會(huì)被周期性地拉伸和收縮”。換言之，引力波經(jīng)過時(shí)，與之垂直的平面會(huì)處于不斷伸縮的狀態(tài)：橫向收縮，縱向就拉伸；橫向拉伸，縱向就收縮?？臻g本身的形變會(huì)讓置身其中的物體也跟著形變。一旦探測出這種形變，就能說明觀測到了引力波。

也許有人會(huì)問，美國科學(xué)家不是已經(jīng)借助LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)）探測到引力波，還獲得諾貝爾獎(jiǎng)了嗎？為什么還需要其他裝置（如FAST）來探測呢？答案是：不同的天文事件會(huì)產(chǎn)生不同頻率的引力波，需要不同的“尺子”來測量。引力波的頻率越低，波長就越長，所以承擔(dān)測量功能的“尺子”也越長。

中國天眼FAST示意圖

頻率在10-1000赫茲波段的引力波由恒星級(jí)雙黑洞、雙中子星并合產(chǎn)生，這些波源離地球相對較近，通過前文提到的激光干涉引力波天文臺(tái)可以探測到，它的“尺子”是兩條相互垂直、長度達(dá)4公里的管道，激光在管道中穿行。具體來說，在引力波的影響下，激光走過的“路途”長度會(huì)發(fā)生規(guī)律性的變化，而激光干涉儀能把引力波導(dǎo)致的長度變化，轉(zhuǎn)變?yōu)榧す飧缮娼Y(jié)果的光強(qiáng)變化，因此可以通過測量激光干涉結(jié)果的變化來捕捉引力波。

把同樣原理的激光干涉裝置放到天上，“尺子”可長達(dá)數(shù)百萬公里，捕捉毫赫茲頻段的引力波（由雙星繞轉(zhuǎn)、大質(zhì)量黑洞俘獲致密星產(chǎn)生的）。歐洲的LISA計(jì)劃和中國的太極計(jì)劃、天琴計(jì)劃等空間引力波探測裝置，都是用衛(wèi)星組成干涉儀網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行長距離干涉測量的。

那么，想要探測到宇宙中更遠(yuǎn)處由超大質(zhì)量雙黑洞、宇宙弦引發(fā)的更低頻率引力波（也就是周期在年量級(jí)的納赫茲引力波），就需要更長的“尺子”了。目前已知的唯一探測手段是利用大型射電望遠(yuǎn)鏡觀測宇宙中的脈沖星，很多人可能無法想象，中國天眼FAST探測引力波時(shí)利用的脈沖星測時(shí)陣列其實(shí)有銀河系那么大。至于極低頻段（10-16赫茲）的引力波探測，就要利用宇宙微波背景輻射了，比如南極BICEP2、西藏阿里觀測項(xiàng)目等。

所以，各種探測裝置分別探測不同的引力波信號(hào)，彼此互為補(bǔ)充，不能相互替代。

探測納赫茲引力波有多難

對頻率低至納赫茲的引力波進(jìn)行探測，可以觀測更深遠(yuǎn)的宇宙，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。

當(dāng)前，想要探測納赫茲引力波，必須利用脈沖星，準(zhǔn)確地說，是一群脈沖星。

脈沖星是一類磁場強(qiáng)且高速自轉(zhuǎn)的中子星，它的自轉(zhuǎn)很穩(wěn)定，每隔固定的時(shí)間就會(huì)發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)。如果不受其他因素影響，那么我們在地球上就能穩(wěn)定地收到這種信號(hào)。

脈沖星的脈沖到達(dá)地球的時(shí)間極其規(guī)律，而引力波所經(jīng)過的區(qū)域，空間的相對長度會(huì)被周期性地拉伸和收縮，這自然催生了一種設(shè)想：如果一列引力波經(jīng)過了地球和脈沖星中間的區(qū)域，那么脈沖星發(fā)出的信號(hào)就會(huì)發(fā)生改變，從而改變該信號(hào)到達(dá)地球的時(shí)間。這樣一來就很好理解了，只要觀測到這種脈沖信號(hào)到達(dá)地球時(shí)間的變化，就等于探測到了引力波。這就是利用脈沖星測時(shí)（PTA）探測引力波的基本原理。

為什么不能只觀測一顆脈沖星來探測引力波呢？因?yàn)閮H憑一顆脈沖星，我們不知道探測到的信號(hào)是引力波、脈沖星噪聲，還是其他的假信號(hào)，必須利用多顆脈沖星相關(guān)的方法，來尋找相關(guān)信號(hào)以區(qū)分引力波和噪聲。如果發(fā)現(xiàn)多顆脈沖星同時(shí)發(fā)生某種規(guī)律性變化，就可以證明探測到引力波了。其中，利用大型射電望遠(yuǎn)鏡對一批自轉(zhuǎn)極其穩(wěn)定的毫秒脈沖星進(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。

納赫茲引力波探測，在國際上是一個(gè)競爭激烈的領(lǐng)域，相關(guān)思想早在1983年便已提出。國際上的探測團(tuán)組有北美納赫茲引力波天文臺(tái)（NANOGrav）、歐洲脈沖星測時(shí)陣列（EPTA）、澳洲帕克斯脈沖星測時(shí)陣列（PPTA），以及印度脈沖星測時(shí)陣列（InPTA）、南非脈沖星測時(shí)陣列（SAPTA）和中國脈沖星測時(shí)陣列（CPTA）。

但是，由于納赫茲引力波引起的時(shí)空改變非常微弱，引力波的周期也達(dá)到了年量級(jí)（時(shí)空的改變以年度為單位）。對它的探測在物理尺度和時(shí)間尺度上都很“大”，不但需要造銀河系尺度探測器（脈沖星測時(shí)陣列），還需要觀測很長時(shí)間，才能把時(shí)間周期長達(dá)數(shù)年的信號(hào)給找出來。

在此次中國天眼FAST探測到納赫茲引力波存在的關(guān)鍵性證據(jù)之前，國際上還沒有一個(gè)團(tuán)組得到過確切的探測結(jié)果。

“天眼”拿到了什么關(guān)鍵證據(jù)

2016年6月，中國科學(xué)院啟動(dòng)了納赫茲引力波預(yù)研究，聯(lián)合北京大學(xué)、中國科學(xué)院新疆天文臺(tái)、云南天文臺(tái)、上海天文臺(tái)、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)。2019年上半年，中國天眼FAST開展了試觀測，由此拉開了探測納赫茲引力波的序幕。

不過，脈沖星測時(shí)陣列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。

NANOGrav、EPTA、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。在這個(gè)領(lǐng)域，中國脈沖星測時(shí)陣列研究團(tuán)隊(duì)雖然是“后來者”，但以數(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。

中國天眼FAST是目前全球最大且最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡，也是全球搜尋脈沖星效率最高的射電望遠(yuǎn)鏡，截至目前，已發(fā)現(xiàn)740余顆新脈沖星。中國脈沖星測時(shí)陣列研究團(tuán)隊(duì)面對觀測時(shí)間跨度遠(yuǎn)短于美、歐、澳3個(gè)國際團(tuán)隊(duì)的不利局面，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57顆毫秒脈沖星，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。團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)獨(dú)立數(shù)據(jù)分析軟件，對中國天眼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，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)。

本次測量到的引力波特征幅度很小，約為4×10-15，這意味著，它造成的時(shí)空改變極其微弱。在距離上，1公里尺度引力波引起的擾動(dòng)約為百分之一個(gè)氫原子大??；在時(shí)間上，千萬年尺度上才變化1秒。也就是說，對納赫茲引力波的探測，是在挑戰(zhàn)人類精密測量的極限。

本次關(guān)鍵性證據(jù)由4個(gè)國際團(tuán)隊(duì)分別獨(dú)立獲得、獨(dú)立發(fā)表、相互印證，說明我國納赫茲引力波探測靈敏度達(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。

中國脈沖星測時(shí)陣列研究團(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，其他國際團(tuán)隊(duì)也無法確定。不過，這個(gè)問題將隨著中國天眼FAST后續(xù)觀測數(shù)據(jù)時(shí)間跨度的增加得到解決。由于中國脈沖星測時(shí)陣列研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)時(shí)間跨度較短，所以數(shù)據(jù)時(shí)間跨度增長帶來的效果會(huì)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，中國脈沖星測時(shí)陣列研究團(tuán)隊(duì)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%。

未來將建成納赫茲引力波天文臺(tái)

作為目前世界上最大、最靈敏的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，中國天眼FAST將讓中國在射電天文領(lǐng)域領(lǐng)先世界20年。從跟跑到領(lǐng)跑，這背后，是中國不斷崛起的科技力量。

未來我們還將看到中國天眼FAST進(jìn)行擴(kuò)展和升級(jí)，基于脈沖星測時(shí)陣列方法實(shí)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(tái)，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(jì)元。

2003年6月29日，一個(gè)中國的博士生前往澳洲，在那里開始了他利用脈沖星探測引力波的科研生涯。20年后的今天，當(dāng)年的博士生已經(jīng)成為中國脈沖星測時(shí)陣列研究團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)軍人物，利用中國天眼FAST發(fā)現(xiàn)了納赫茲引力波存在的關(guān)鍵性證據(jù)，他就是李柯伽研究員。他的經(jīng)歷也許又一次印證了那句話：“FAST最大的意義是把人類的視野向前擴(kuò)展了一大步，也讓中國的天文學(xué)家第一次站在了人類視野的最前沿。”

沒有人知道中國天眼FAST還能給天文學(xué)理論帶來怎樣的貢獻(xiàn)，但可以確定的是，它一定會(huì)有更多貢獻(xiàn)。

（文：張文韜 作者單位：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心；專業(yè)審核：中國科學(xué)院國家天文臺(tái)）