中国骄傲丨一眼望穿137亿光年！中国天眼“看见”引力波踪影 这是又一项世界级突破

【导语】作为世界上最大单口径、最灵敏的射电望远镜，中国天眼FAST安静地坐落在我国西南一隅，向宇宙深处发出最遥远的目光。从2016年落成启用至今，中国天眼FAST已发现脉冲星超过800颗，是同一时期国际上所有其他望远镜发现脉冲星总数的三倍以上；此外，还发现了首例持续活跃重复快速射电暴、迄今轨道周期最短脉冲星双星系统……

近日，中国天眼FAST又有了新突破，由中国科学院国家天文台等单位科研人员组成的中国脉冲星测时阵列(CPTA)研究团队利用中国天眼FAST探测到纳赫兹引力波存在的关键证据，表明我国纳赫兹引力波探测和研究与国际同步达到领先水平，对人类探索宇宙意义深远。

中国天眼探测到引力波踪影

2020年1月11日，被誉为中国天眼的500米口径球面射电望远镜通过验收，正式开放运行。（图源：新华社）

作为具有自主知识产权的“大国重器”，中国天眼FAST——500米口径球面射电望远镜可谓“独步天下”，其综合性能比世界上排名第二的美国阿雷西博望远镜提高约10倍，能够接收到137亿光年以外的电磁信号，当它睁开双眼，亿万光年以外的宇宙空间尽收眼底。

在一场20年前就开始的国际天文竞赛中，中国科学家后发先至，仅仅用了3年5个月就成功验证了40年前的理论预言，中国天眼FAST通过对银河系中的57颗毫秒脉冲星进行了长期系统性监测，首次“看见”了来自深远宇宙的涟漪——纳赫兹引力波。

6月29日，中国脉冲星测时阵列研究团队宣布利用中国天眼FAST独立找到了纳赫兹引力波存在的关键证据。该团队充分利用中国天眼FAST灵敏度高、可监测脉冲星数量多、测量精度更高的优势，基于自主开发的软件进行了数据分析研究。在误报率小于五十万分之一的前提下，发现了具有纳赫兹引力波特征的四极相关信号的证据。

中国天眼探测到纳赫兹引力波存在的关键证据示意图。（图源：中国科学院国家天文台）

中国科学院院士、中国科学院国家天文台台长常进介绍，证据就是脉冲星到达的时间，由于纳赫兹引力波产生的时空涟漪，产生的这个晃动。脉冲星角度的一个变化，这是纳赫兹引力波存在的一个重要的依据。他们看到了这种变化。

中科院理论物理研究所所长蔡荣根院士指出，这次科研人员利用中国天眼FAST测量到引力波信号的关键证据，结果与超大质量双黑洞系统的理论预期一致。下一步通过数据的进一步积累，一个关键的问题是去确定引力波的谱指数，这蕴含着引力波源的丰富物理。

同一时间，来自欧洲-印度、美国、澳大利亚等国家和地区的另外三个国际团队也宣布获得纳赫兹引力波存在的关键证据。在天文学家看来，对纳赫兹引力波进行探测，将有助于理解宇宙结构的起源，探测宇宙中最大质量的天体即超大质量黑洞的增长、演化及并合过程；也有助于物理学家洞察时空的基本物理原理。

纳赫兹引力波探测极具挑战

纳赫兹引力波是引力波的一种，是宇宙中一种极低频扰动，其频率为10的负9次方赫兹。纳赫兹引力波由于频率极低、周期长达数年，其波长可达数光年，对它的探测十分具有挑战性。利用类似于中国天眼FAST这种大型射电望远镜对一批自转极其规律的毫秒脉冲星进行长期测时观测，是纳赫兹引力波目前已知的唯一探测手段。

6月23日拍摄的中国天眼FAST全景（维护保养期间拍摄，无人机照片）。（图源：新华社）

在国际上，北美纳赫兹引力波天文台、欧洲脉冲星测时阵列、澳大利亚帕克斯脉冲星测时阵列利用各自的大型射电望远镜，已分别开展了长达20年的纳赫兹引力波搜寻。近期一些新生力量也逐渐加入这一领域，包括中国脉冲星测时阵列、印度脉冲星测时阵列和南非脉冲星测时阵列。

脉冲星测时阵列探测纳赫兹引力波的灵敏度强烈依赖于观测时间跨度——即灵敏度随着观测时间跨度的增长而迅速增加。中国研究团队面对观测时间跨度远短于美国、欧洲、澳大利亚三个国际团队的不利局面，充分利用中国天眼FAST长期系统地监测了一大批毫秒脉冲星，自主开发独立数据分析软件，以数据精度、脉冲星数量和数据处理算法上的优势弥补了时间跨度上的不足，使我国纳赫兹引力波探测灵敏度很快达到了与美、欧、澳相当的水平，从而实现此次重大科学突破。

不过，受限于当前观测数据较短的时间跨度，团队暂时无法确定纳赫兹波段引力波的主要物理来源。“但这将随着后续观测数据时间跨度的增长而解决。”中国科学院国家天文台研究员、北京大学研究员李柯伽说，“由于我们团队现有数据时间跨度较短，所以数据时间跨度增长带来的效果会更明显，例如，如果数据时间跨度再增长3年5个月，我们的数据时间跨度将翻番，而其他国际团队仅增长不到20%。”

有望打开探测宇宙的新窗口

晨曦中的中国天眼FAST全景（无人机照片，2022年7月25日维护保养期间拍摄）。（图源：新华社）

中国最早在2002年开展初步的脉冲星测时阵前期调研。2016年6月，中科院对纳赫兹引力波探测研究进行前瞻、战略和系统布局，部署“多波段引力波宇宙研究”战略性先导科技专项(B类)，中科院国家天文台联合北京大学和中科院新疆天文台、云南天文台、上海天文台、国家授时中心以及广州大学等组建中国脉冲星测时阵列研究团队，为利用中国天眼FAST探测纳赫兹引力波开展科学和技术预研。

2019年6月，中国天眼FAST科学委员会成立，进一步凝练原创突破目标，整合全国最优秀青年科技力量，依托中国天眼FAST组织开展体系化、建制化科研攻关，通过遴选评议设立中国脉冲星测时阵列优先和重大项目、提供观测时间，加快开展纳赫兹引力波探测协同攻关。由于观测数据积累的时间跨度对探测纳赫兹引力波非常重要，为尽早开始积累观测数据，当年9月，中国天眼FAST还处于调试阶段，中国脉冲星测时阵列团队就联合中国天眼FAST调试工作组开始试观测，尽可能早地为探测纳赫兹引力波积累观测数据。

与此同时，2020年科技部通过平方公里阵列射电望远镜(SKA)专项部署“脉冲星测时和检验引力理论”科研任务，利用中国天眼FAST等国内射电望远镜组成望远镜阵列，开展阵列望远镜脉冲星测时和纳赫兹引力波探测的预先研究。2020年国家自然科学基金委员会通过中国天眼FAST专项重点部署“基于中国天眼FAST的脉冲星前沿物理问题研究”，开展脉冲星物理特性和测时噪声研究，进一步提高脉冲星测时精度。

中科院国家天文台表示，后续将充分发挥中国天眼FAST脉冲星测时精度国际领先优势，加快纳赫兹引力波探测科研攻关，积累更长期的观测数据，逐步发表更高精度的探测结果，打开人类利用纳赫兹引力波探测宇宙的新窗口。

同时，该台还将积极推进中国天眼FAST扩展和升级，基于脉冲星测时阵列方法，实现纳赫兹引力波事件的常规观测，从而建成纳赫兹引力波天文台，并开启更高灵敏度和更高分辨率的低频射电观测研究新纪元，将中国加快建设成为引力波天文和射电天文强国。

(资料来源：人民日报、央视新闻、中新网、中国科学报)