每經(jīng)編輯 杜宇

再獲世界級發(fā)現(xiàn)，中國天眼“看見”引力波蹤影！

據(jù)中國科學(xué)報，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)院國家天文臺等單位科研人員組成的中國脈沖星測時陣列（CPTA）研究團隊，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個國際團隊同步發(fā)表了各自獨立獲得并且相互印證的結(jié)果。

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

“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)域與國際同步達到領(lǐng)先水平。”

圖片來源：央視新聞

納赫茲引力波是引力波的一種，是宇宙中一種極低頻擾動，其頻率為10的負(fù)9次方赫茲。納赫茲引力波由于頻率極低、周期長達數(shù)年，其波長可達數(shù)光年，對它的探測十分具有挑戰(zhàn)性。

據(jù)央視新聞，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院國家天文臺臺長常進指出，納赫茲引力波主要是為人類打開了觀測宇宙的一個重要“窗口”，肯定會有許多物理上的重大發(fā)現(xiàn)。用納赫茲引力波，科研人員可以研究宇宙的超大質(zhì)量天體，像黑洞、超大質(zhì)量黑洞，星系的形成、演化、合并，還有宇宙早期的結(jié)構(gòu)等。這些都是天體物理的重大科學(xué)問題。

圖片來源：央視新聞

利用類似于我國的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST這種大型射電望遠(yuǎn)鏡對一批自轉(zhuǎn)極其規(guī)律的毫秒脈沖星進行長期測時觀測，是納赫茲引力波目前已知的唯一探測手段。

中國科學(xué)院國家天文臺研究員、北京大學(xué)研究員李柯伽介紹，實際上真正的引力波探測器是那些脈沖星，科研人員用大型的望遠(yuǎn)鏡就是去讀這些脈沖星的信號，把這些脈沖星作為一個非常標(biāo)準(zhǔn)的“鐘”在用，讀這些“鐘”的信號，來獲取時間，來判斷空間怎么樣受到了引力波的影響。

超大質(zhì)量黑洞并合“獨有預(yù)言”終于實現(xiàn)

據(jù)文匯報，自2016年引力波發(fā)現(xiàn)以來，目前全球范圍內(nèi)的引力波探測有地面引力波、空間引力波、納赫茲引力波和極低頻引力波4個主要頻段，它們分別對應(yīng)不同的物理過程，探測方式也不一樣。

在由無數(shù)恒星、星系組成的宇宙中，星系并合不時發(fā)生。大多數(shù)星系都有超大質(zhì)量黑洞，它們是宇宙中質(zhì)量最大的天體，其質(zhì)量是太陽的上億到千億倍。天文學(xué)家預(yù)測，當(dāng)星系并合時，這些黑洞也會并合，它們相互繞轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的引力波主要集中在納赫茲頻段（10的-9次方赫茲）。

圖片來源：央視新聞

“產(chǎn)生納赫茲引力波，是超大質(zhì)量黑洞并合的獨有預(yù)言。然而，預(yù)言誕生幾十年，至今未有確鑿的雙超大質(zhì)量黑洞并合的例子。”北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所教授何子山向CPTA團隊表示祝賀，“這次，CPTA終于實現(xiàn)了這個期待已久的預(yù)言”，在這一物理學(xué)與天文學(xué)領(lǐng)域的國際激烈競爭中拔得頭籌。

在這個領(lǐng)域，北美洲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）早在20年前就開始了觀測積累。而印度脈沖星測時陣列（InPTA）、南非脈沖星測時陣列（SAPTA）和CPTA則在近期才加入。

這次，CPTA團隊發(fā)布的結(jié)果置信度為4.6σ（西格瑪），距離國際公認(rèn)的探測標(biāo)準(zhǔn)5σ還略有差距。“目前我們暫時還不能確認(rèn)納赫茲引力波的天體源頭。” CPTA負(fù)責(zé)人、中國科學(xué)院國家天文臺與北京大學(xué)天文系雙聘研究員李柯伽告訴記者，只要再經(jīng)過一段時間，進一步拉長觀測數(shù)據(jù)的時間跨度，應(yīng)該就能確認(rèn)納赫茲引力波的天體源頭。

研究納赫茲引力波對人類探索宇宙意義深遠(yuǎn)

圖片來源：央視新聞

引力波是由加速運動的有質(zhì)量物體擾動周圍的時空而產(chǎn)生的時空漣漪，其信號極其微弱，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)，并且對人類探索宇宙意義深遠(yuǎn)。

1916年，愛因斯坦基于廣義相對論預(yù)言了引力波的存在。2016年，美國激光干涉引力波天文臺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，并因此獲得了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)繞轉(zhuǎn)產(chǎn)生的引力波主要集中在納赫茲頻段。在這個頻段內(nèi)，甚至還有宇宙早期原初引力波殘存至今的部分和宇宙弦產(chǎn)生的引力波。

幾十年來，各國天文學(xué)家一直在為探測神秘的引力波而努力。發(fā)現(xiàn)納赫茲引力波更是國際物理和天文領(lǐng)域競賽的焦點之一。美國、歐洲、澳大利亞，利用各自的大型射電望遠(yuǎn)鏡，已分別開展了長達20年的納赫茲引力波搜尋。近年來，中國、印度、南非等國也逐漸開展納赫茲引力波的探測研究。中國科學(xué)院于2016年6月部署了“多波段引力波宇宙研究”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項，2019年9月，中國天眼FAST還處于調(diào)試階段，中國脈沖星測時陣列研究團隊就聯(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)。

中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院國家天文臺臺長常進說，他們將進一步圍繞納赫茲引力波，開辟納赫茲引力波天文學(xué)這個新的科學(xué)方向，并繼續(xù)保持我國在低頻射電天文學(xué)方面的國際領(lǐng)先地位。

每日經(jīng)濟新聞綜合央視新聞、中國科學(xué)報、文匯報

封面圖片來源：央視新聞