我国科学家探测到纳赫兹引力波存在

6月23日拍摄的“中国天眼”全景（无人机照片）。新华社记者 欧东衢 摄

科普时报记者 史 诗

透过一个又一个天文望远镜，我们知道，头顶的银河并不是宇宙的全部。于是，科学家们在时光的波心丢了一枚“石子”，那泛起的点点“涟漪”，就是引力波。它能帮助我们看见宇宙黑暗深处蕴藏的奥秘。

近日，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性证据。相关研究成果北京时间6月29日在学术期刊《天文和天体物理研究》在线发表。

中国科学院院士、中国科学院国家天文台台长常进指出，利用纳赫兹引力波，科研人员可以研究宇宙的超大质量天体，像黑洞、超大质量黑洞，星系的形成、演化、合并，还有宇宙早期的结构等天体物理的重大科学问题。

探测纳赫兹引力波有多难

我们知道，宇宙中约95%是永恒的“黑暗”。利用引力波观测，我们能够捕捉到这些暗物质和暗能量的蛛丝马迹。

1916年，爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。“由于引力波极其微弱，甚至爱因斯坦自己都不相信人类能够探测到它。” 论文第一作者、国家天文台特别研究助理胥恒告诉科普时报记者，尽管引力波引起的可探测的效应相当微弱，但2015年9月14日，美国激光干涉仪引力波观测天文台（LIGO）还是宣布首次观测到引力波。

“引力波是物质加速运动产生的，我们可以通过引力波跟踪宇宙有质量物质的运动。”胥恒进一步解释说，时空是可以弯曲的，物体的质量会造成其周围时空的弯曲，质量越大，时空弯曲程度也越大。

茫茫宇宙，只要有物质的加速运动，就有引力辐射。胥恒说，引力波的频率范围很广，高至千赫兹，低至10—16赫兹，且不同频段引力波的探测手段不一样，因为引力波探测器总是只对某个频率范围内的引力波敏感，互相不能代替。

“高频引力波（百赫兹频段）的探测器主要是通过地面的激光干涉仪来测量，如LIGO；低频引力波（毫赫兹频段）主要是通过空间的激光干涉仪，如欧洲LISA计划，我国太极、天琴等探测器来探测。”胥恒介绍。

更大质量的天体产生的引力波频率更低。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。

“纳赫兹频段的引力波由于其周期在数年到数十年，波长达数十光年，迄今为止，人们已知的唯一探测手段，是通过射电望远镜监测多颗测时精度高的脉冲星，即脉冲星测时阵列。”胥恒说。

也就是说，对纳赫兹引力波的探测在物理尺度和时间尺度上都很“大”，这不是件容易的事。

为什么要借助脉冲星

既然对频率低至纳赫兹的引力波进行探测非常难，科学家就需要一个靠谱的“助手”，于是就盯上了脉冲星。

脉冲星是一类致密天体，因为其辐射束会周期性快速扫过地球，使地球人看到一个个周期脉冲而得名。脉冲星的优点是它的自转很稳定，每隔固定的时间就发出一个脉冲信号。如果不受其他因素影响，我们在地球上就能稳定地收到这种信号。

胥恒补充道，探测纳赫兹引力波对脉冲星的距离没有要求，脉冲星的数量越多越好，以区分引力波和其他噪声。

2016年6月，中国科学院启动纳赫兹引力波预研究，联合北京大学，中国科学院新疆天文台、云南天文台、上海天文台，以及国家授时中心、广州大学等多家相关单位组建了中国脉冲星测时阵列研究团队（CPTA）。

FAST是目前全球最大且最灵敏的单口径射电望远镜，也是全球搜寻脉冲星效率最高的射电望远镜。截至目前，已发现740余颗新脉冲星。

与LIGO为代表的其他望远镜相比，FAST探测的方法有何不同？胥恒解释称，二者探测的原理和本质没有不同，都是通过监测电磁波信号在传播过程中的微小变化，来确定引力波的存在。胥恒打了一个比方，每颗脉冲星就是地面激光干涉仪的反射镜。“当然，具体到后续的数据处理和探测统计方法会有一些差异”。

将探测单个引力波信号

作为探测宇宙中不发光物质的直接手段，引力波探测一直是天文学家长期以来的追求，尤其想通过持续“监听”这些宇宙中的低沉“声音”，来揭示黑洞或早期宇宙的模样。

“纳赫兹引力波的物理来源等信息需要通过精确测量纳赫兹引力波的频谱，而这又强烈依赖于我们的数据时间跨度。时间跨度越大，我们就越能精确地测量纳赫兹引力波的频谱。”胥恒透露，接下来，团队还需要继续按照原计划开展观测，积累长周期数据，不断增加他们对纳赫兹引力波的探测精度。

胥恒表示，现在探测到的其实是无数个纳赫兹引力波叠加起来的背景，这是第一步。团队下一阶段的目标是探测到单个纳赫兹引力波的信号。“这样我们就能找到具体是哪一个星系中心的超大质量双黑洞产生的这个引力波，然后从伽马射线到射电的全波段望远镜都将发挥作用。

此外，精确限制纳赫兹引力波谱的信息，进而确定纳赫兹引力波的物理来源或进行精确限制也非常重要。“因为在这个频段内，除了星系中心的超大质量双黑洞系统绕转产生的引力波，还有宇宙早期原初引力波残存至今的部分和宇宙弦等奇异对象产生的引力波。”胥恒说，“然而，现阶段我们暂时无法区分。”

今天，我们知晓宇宙沉浸在引力波的背景之中，每个角落都震荡着久远的低频引力波，它给很多未知的宇宙事件打开了一扇窗。

链接：

《天文和天体物理学研究》（RAA）是中国科学院国家天文台和中国天文学会主办的学术期刊，发表天文学和天体物理学领域高水平原创性的研究成果，是中国天文领域唯一SCI期刊。

这次，胥恒老师还跟我们透露了关于投稿和审稿的小故事。

“我们投稿到RAA，受到极大重视。此次审稿质量很高，审稿专家还帮助我们补上了一些表述上的漏洞。RAA能使中国科学家有可靠的、有效的发表工作的渠道，全力支持并助力中国科学家发表前沿领域有竞争力的创新成果。”