中國天眼看到引力波　 與國際同步達領先水平

近日，由中國科學院國家天文台等單位科研人員組成的中國脈衝星測時陣列（CPTA）研究團隊利用中國天眼FAST，探測到納赫茲引力波存在的關鍵性證據，表明中國納赫茲引力波研究與國際同步達到領先水平。相關論文於29日在中國天文學術期刊《天文與天體物理研究（RAA）》在線發表。

引力波是由加速運動的有質量物體擾動周圍的時空而產生時空的漣漪，而納赫茲引力波是引力波的一種。對頻率低至納赫茲的引力波進行探測，將有助於天文學家理解宇宙結構的起源，探測宇宙中最大質量的天體即超大質量黑洞的增長、演化及併合過程；也有助於物理學家洞察時空的基本物理原理。

據介紹，引力波信號極其微弱，卻是探測宇宙中不發光物質的直接手段，探測引力波並且開闢引力波觀測宇宙的新窗口是天文學家長期以來追求的目標。更大質量的天體產生的引力波頻率更低，例如，宇宙中質量最大的天體，星系中心的超大質量雙黑洞系統（億到千億倍太陽質量）繞轉產生的引力波主要集中在納赫茲頻段，相應的信號時標為年到幾十年。在這個頻段內，還有宇宙早期原初引力波殘存至今的部分和宇宙弦等奇異對象產生的引力波。開闢納赫茲引力波探測宇宙的新窗口對於理解超大質量黑洞、星系併合歷史、宇宙大尺度結構形成等問題具有重大意義。

納赫茲引力波由於頻率極低、周期長達數年，其波長可達數光年，對它的探測十分具有挑戰性。利用大型射電望遠鏡對一批自轉極其規律的毫秒脈衝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。發現納赫茲引力波是國際物理和天文領域競賽的焦點之一。國際上，北美納赫茲引力波天文台（NANOGrav）、歐洲脈衝星測時陣列（EPTA）、澳洲帕克斯脈衝星測時陣列（PPTA），利用各自的大型射電望遠鏡，已分別開展了長達20年的納赫茲引力波搜尋。近期一些新生力量也逐漸加入這一領域，包括中國的CPTA，印度脈衝星測時陣列（InPTA）和南非脈衝星測時陣列（SAPTA）。

在此次研究中，CPTA團隊利用FAST對57顆毫秒脈衝星進行了長期系統性監測，並將這些毫秒脈衝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。該團隊基於獨立開發的軟件，對FAST收集的時間跨度3年5個月的數據進行分析研究，在4.6西格瑪置信度水平（誤報率小於五十萬分之一）上發現了具有納赫茲引力波特徵的四極相關信號的證據。

脈衝星測時陣探測納赫茲引力波的靈敏度強烈依賴於觀測時間跨度——即靈敏度隨着觀測時間跨度的增長而迅速增加。CPTA研究團隊面對觀測時間跨度遠短於美、歐、澳三個國際團隊的不利局面，充分利用FAST靈敏度高、可監測脈衝星數目多、測量精度更高的優勢，長期系統地監測了一大批毫秒脈衝星，自主開發獨立數據分析軟件，以數據精度、脈衝星數量和數據處理算法上的優勢彌補了時間跨度上的差距，使中國納赫茲引力波探測靈敏度很快達到了與美、歐、澳相當的水平，從而同時實現此次重大科學突破。