波長數(shù)光年的納赫茲引力波作為一種低頻引力波，是遠古宇宙中的背景噪聲。 與人類2016年首次發(fā)現(xiàn)的高頻引力波相比，它們更難“聽”，而且需要基于持續(xù)數(shù)年的數(shù)據(jù)收集。
憑借“中國天眼”（FAST）優(yōu)異的探測性能，中國科學技術大學國家天文臺牽頭的中國脈沖星定時陣列（CPTA）研究團隊發(fā)現(xiàn)了3年5個月的數(shù)據(jù)“中國天眼”的納赫茲引力波存在的關鍵證據(jù)——具有納赫茲引力波特征的四極相關信號，誤報率大于五十萬分之一。 相關論文將于明天在 in and （RAA）在線發(fā)表，表明我國在該領域的研究已達到與國際同行同步領先水平。
隨著后續(xù)數(shù)據(jù)時間跨度的延長，CPTA團隊有望確定納赫茲引力波的主要數(shù)學來源。 這意味著人類距離發(fā)現(xiàn)納赫茲引力波可能僅一步之遙。
超大質(zhì)量黑洞合并的“獨特預言”終于成真
自2016年發(fā)現(xiàn)引力波以來，全球范圍內(nèi)用于引力波探測的頻段主要有四個：地面引力波、空間引力波、納赫茲引力波和極低頻引力波，分別對應不同的化學過程。 方法也不同。
在無數(shù)恒星和星系組成的宇宙中，恒星合并時有發(fā)生。 大多數(shù)恒星都有超大質(zhì)量黑洞，它們是宇宙中質(zhì)量最大的天體，質(zhì)量從太陽的數(shù)億到數(shù)千億倍不等。 天文學家預測中國引力與天體物理學會，當恒星合并時，這樣的黑洞也會合并，它們相互繞轉(zhuǎn)形成的引力波主要集中在納赫茲頻段（10的-9次方Hz）。
“納赫茲引力波的產(chǎn)生是對超大質(zhì)量黑洞合并的獨特預測。然而，該預測誕生六年來，一直沒有關于雙超大質(zhì)量黑洞合并的確鑿反例。” 北京大學卡夫里天文與天體化學研究所何子善院士向CPTA團隊表示祝賀，“這次，CPTA終于實現(xiàn)了這個期待已久的預言”，在這場激烈的數(shù)學與天體化學領域的國際競賽中獲得一等獎。天文學。
在這一領域，北非納赫茲引力波天文臺（）、歐洲脈沖星計時陣列（EPTA）、澳大利亞帕克斯脈沖星計時陣列（PPTA）早在20年前就開始積累觀測數(shù)據(jù)。 美國脈沖星計時陣列 (InPTA)、南非脈沖星計時陣列 (SAPTA) 和 CPTA 最近才加入。
此次CPTA團隊發(fā)布的結(jié)果置信度為4.6σ（sigma），與國際公認的檢測標準5σ略有不同。 “目前，我們還無法確認納赫茲引力波的天體來源。” CPTA負責人、中國科學技術大學國家天文臺和上海大學天文系雙聘研究員李克佳告訴記者，只要經(jīng)過一段時間，觀測數(shù)據(jù)就會如果進一步延長 的時間跨度，應該能夠確認納赫茲引力波的天體來源。
后來居上，望遠鏡的優(yōu)勢彌補了時間跨度的弱點
納赫茲引力波的周期可以持續(xù)數(shù)年，波長可達數(shù)光年，觀測起來非常具有挑戰(zhàn)性。 目前，借助小型射電望遠鏡對一組自轉(zhuǎn)非常規(guī)律的微秒脈沖星進行常年定時觀測是探測納赫茲引力波的唯一途徑。
脈沖星是可檢測且可靠的“宇宙計時器”，它快速旋轉(zhuǎn)并以精確的時間間隔發(fā)射無線電波脈沖。 引力波形成的時空漣漪會導致時空形成微小的拉伸和收縮，進而導致脈沖星信號到達月球的實際時間與預期時間之間存在很小的誤差。 正是利用這個微小的誤差，天文學家才能觀測到納赫茲引力波的存在。
“我國早在2016年就開始在該領域進行前瞻性研究，并聯(lián)合國內(nèi)多家科研機構(gòu)成立了CPTA團隊。” 中國科學技術大學教授、國家天文臺臺長常進透露，2019年9月，F(xiàn)AST還沒有即將開放運行，CPTA已聯(lián)合中科院開始試觀測。 FAST 調(diào)試工作組。
“FAST可以同時測量更多的脈沖星，靈敏度高，測量精度高。同時，我們利用觀測數(shù)據(jù)精度和數(shù)據(jù)處理算法的優(yōu)勢，自主開發(fā)了算法來填補時間跨度的差異。” 李克佳表示，目前我國納赫茲引力波探測靈敏度已達到與日本、歐洲、澳大利亞相當?shù)乃健?span style="display:none">TDn物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
2020年9月，北非納赫茲引力波天文臺聲稱根據(jù)47顆脈沖星12.5年的觀測數(shù)據(jù)探測到了納赫茲引力波，但最終無法否認。 此次，CPTA借助FAST歷時3年零5個月的57微秒脈沖星探測數(shù)據(jù)，探測到了引力波信號的關鍵證據(jù)。
“CPTA的結(jié)果與超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)的理論預期一致。” 中國科學技術大學教授、國際廣義相對論與引力學會會員蔡榮根指出，最重要的是CPTA團隊發(fā)現(xiàn)了信號中納赫茲引力波的存在。 的四極矩相關性，置信度高達4.6σ。
“納赫茲引力波天文學”的啟動只是時間問題
就在CPTA公布結(jié)果的同一三天，美國、歐洲-印度、澳大利亞的脈沖星計時陣列合作組也公布了類似的結(jié)果。 這意味著人類為探測宇宙納赫茲引力波打開一扇新窗口只是時間問題。 未來，這種區(qū)域合作將進一步推動國際脈沖星授時陣列合作。
納赫茲引力波信號的探測對于研究早期宇宙歷史、驗證大爆燃理論、獲取超大質(zhì)量黑洞碰撞合并信息、研究恒星并合、進一步研究恒星的性質(zhì)等具有重要意義。宇宙中各種類型的引力波。
中國科研團隊僅用3年多的觀測數(shù)據(jù)就趕上了國際領先水平。 隨著FAST觀測時間跨度的不斷延長，我國納赫茲引力波探測的靈敏度也將快速提升。
常進表示，國家天文臺還將積極推進FAST的擴容升級，基于脈沖星計時陣列方法，實現(xiàn)納赫茲引力波暴的常規(guī)觀測，從而建設納赫茲引力波觀測站，開啟更高靈敏度以及更高碼高頻低頻射電觀測和研究的新時代中國引力與天體物理學會，促使我國步入引力波天文學和射電天文學強國。 （徐啟民）