中国天眼“看见”引力波踪影
FAST探测到纳赫兹引力波存在的关键证据示意图。国家天文台供图
■本报记者 甘晓
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，仅用3年5个月就成功验证40年前的理论预言——中国天眼FAST通过对57颗脉冲星的监测，首次“看见”了来自深远宇宙的涟漪。
6月29日，由中国科学院国家天文台（以下简称国家天文台）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FAST探测到“纳赫兹引力波”存在的关键证据。相关论文在我国天文学术期刊《天文与天体物理研究（RAA）》在线发表。与此同时，来自欧洲-印度、美国、澳大利亚等国家和地区的另外3个国际团队同步发表了各自独立获得并且相互印证的结果。
“人类终于站在了期盼已久的纳赫兹引力波观测窗口前。”论文通讯作者、国家天文台/北京大学研究员李柯伽和团队为此感到自豪，“我们利用中国自主设计和建造的大科学装置开展原创性研究，成果发表在中国本土的学术期刊上，我国在这一领域与国际同步达到领先水平。”
寻找“纳赫兹”
爱因斯坦曾在广义相对论中预言，加速运动的有质量物体会扰动周围时空而产生“涟漪”，这便是引力波。近一个世纪以来，全世界科学家都试图从实验中观测引力波。
“如果把宇宙比喻成一杯水，人类已知的、能看见的东西只是其中一滴，绝大部分的宇宙是看不见的暗物质、暗能量。”李柯伽介绍，“我们只有通过追踪有‘质量’物体的运动，才能揭开宇宙的奥秘。”
引力波具有不同的频率和波长，反映出不同的天文事件，探测方法也不尽相同。例如，2016年美国激光干涉引力波天文台（LIGO）首次在实验中直接观测到引力波。其利用地面激光干涉仪能够观测到频率较高、波长较短的引力波，这些引力波由恒星级质量的双黑洞并合产生。
而频率更低、波长更长的引力波则由更大质量天体的运动产生。作为宇宙中质量最大的天体，星系中心的超大质量双黑洞系统绕转产生的引力波主要集中在“纳赫兹频段”，即十亿分之一赫兹。在天文学家看来，对纳赫兹引力波进行探测，有助于理解超大质量黑洞的增长、演化及并合过程。
然而，由于频率极低、周期长达数年，纳赫兹引力波探测极具挑战，全球科学家迟迟没有发现它的踪迹。
57颗脉冲星，3年5个月
利用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，是目前唯一能够探测纳赫兹引力波的手段。“超大质量天体运动产生的引力波会扰动整个时空，也会改变脉冲星到达地球的时间信号，对这些信号进行比较就可以判断是不是引力波。”李柯伽向《中国科学报》介绍该研究的基本原理。
早在1983年，天文学家曾提出理论预言，“四极相关信号”是引力波的特征证据。而随着射电天文学的长足发展，基于这一原理寻找纳赫兹引力波逐渐成为科学界竞赛的焦点之一。
近20年来，北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）、欧洲脉冲星测时阵列（EPTA）、澳大利亚帕克斯脉冲星测时阵列（PPTA）都利用各自的大型射电望远镜，分别开展了纳赫兹引力波搜寻。最近，又增加了中国脉冲星测时阵列、印度脉冲星测时阵列（InPTA）和南非脉冲星测时阵列（SAPTA）等新生力量。
利用FAST，中国脉冲星测时阵列科研团队只用了3年5个月就达成目标。他们围绕57颗脉冲星的相关数据，自主开发独立软件进行数据分析。最终，在“4.6西格玛置信度”水平上发现了具有纳赫兹引力波特征的四极相关信号的证据，误报率小于五十万分之一，成功验证了40年前的理论预言。
同时，探测到的引力波幅度极小，距离上相当于1公里尺度引力波引起的扰动约为百分之一个氢原子的大小，时间上则相当于千万年尺度上变化1秒。
李柯伽表示，受限于当前观测数据较短的时间跨度，科研团队暂时无法确定纳赫兹波段引力波的主要物理来源，但这一问题将随着后续观测数据时间跨度的增加被解决。
有组织的基础研究
面对观测时间跨度远短于国际团队的不利局面，中国科学家能够取得此次重大突破，离不开管理部门的大力支持、科研团队的通力合作以及科学家的长期坚守。
国家天文台台长、中国科学院院士常进总结：“这一重大科学突破的取得使我们清晰认识到，前沿科学研究已经进入大科学时代，国际科技竞争向基础研究前移。而基础研究的组织化程度越来越高、目标导向性越来越显著，建制化、体制化科研的重要作用越发凸显。”
据了解，我国最早在2002年开展了初步的脉冲星测时阵列前期调研；2016年中国科学院启动了“多波段引力波宇宙研究”战略性先导科技专项（B类），并联合多家相关单位组建了中国脉冲星测时阵列研究团队；2019年中国天眼FAST科学委员会成立后，继续加快开展纳赫兹引力波探测协同攻关。同时，科技部、国家自然科学基金委员会也部署了相关科研项目。
在纳赫兹引力波探测攻关过程中，科研团队一方面不断提高FAST对脉冲星的观测精度，另一方面加快创新数据处理方法，以数据精度、脉冲星数量和数据处理算法上的优势弥补时间跨度上的差距，使得我国纳赫兹引力波探测灵敏度得以快速提高。
一批“80后”“90后”的青年科学家也在此次攻关中逐渐成长起来。作为中国脉冲星测时阵列负责人，“80后”的李柯伽2003年就投身该领域，历经“二十年磨一剑”的坚持，终于实现了梦想。
“日复一日、年复一年的数据处理过程的确有些枯燥，但当你一直认为做的事情是重要的，就会始终胸怀信念。”论文第一作者、国家天文台助理研究员、“90后”胥恒表示。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1088/1674-4527/acdfa5