波長(zhǎng)數(shù)光年的納赫茲引力波作為一種低頻引力波，是遠(yuǎn)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(guó)天眼”（FAST）優(yōu)異的探測(cè)性能，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家天文臺(tái)牽頭的中國(guó)脈沖星定時(shí)陣列（CPTA）研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了3年5個(gè)月的數(shù)據(jù)“中國(guó)天眼”的納赫茲引力波存在的關(guān)鍵證據(jù)——具有納赫茲引力波特征的四極相關(guān)信號(hào)，誤報(bào)率大于五十萬(wàn)分之一。 相關(guān)論文將于明天在 in and （RAA）在線發(fā)表，表明我國(guó)在該領(lǐng)域的研究已達(dá)到與國(guó)際同行同步領(lǐng)先水平。
隨著后續(xù)數(shù)據(jù)時(shí)間跨度的延長(zhǎng)，CPTA團(tuán)隊(duì)有望確定納赫茲引力波的主要數(shù)學(xué)來(lái)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(dú)特預(yù)言”終于成真
自2016年發(fā)現(xiàn)引力波以來(lái)，全球范圍內(nèi)用于引力波探測(cè)的頻段主要有四個(gè)：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(duì)應(yīng)不同的化學(xué)過(guò)程。 方法也不同。
在無(wú)數(shù)恒星和星系組成的宇宙中，恒星合并時(shí)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(yáng)的數(shù)億到數(shù)千億倍不等。 天文學(xué)家預(yù)測(cè)中國(guó)引力與天體物理學(xué)會(huì)，當(dāng)恒星合并時(shí)，這樣的黑洞也會(huì)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(duì)超大質(zhì)量黑洞合并的獨(dú)特預(yù)測(cè)。然而，該預(yù)測(cè)誕生六年來(lái)，一直沒有關(guān)于雙超大質(zhì)量黑洞合并的確鑿反例。” 北京大學(xué)卡夫里天文與天體化學(xué)研究所何子善院士向CPTA團(tuán)隊(duì)表示祝賀，“這次，CPTA終于實(shí)現(xiàn)了這個(gè)期待已久的預(yù)言”，在這場(chǎng)激烈的數(shù)學(xué)與天體化學(xué)領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)賽中獲得一等獎(jiǎng)。天文學(xué)。
在這一領(lǐng)域，北非納赫茲引力波天文臺(tái)（）、歐洲脈沖星計(jì)時(shí)陣列（EPTA）、澳大利亞帕克斯脈沖星計(jì)時(shí)陣列（PPTA）早在20年前就開始積累觀測(cè)數(shù)據(jù)。 美國(guó)脈沖星計(jì)時(shí)陣列 (InPTA)、南非脈沖星計(jì)時(shí)陣列 (SAPTA) 和 CPTA 最近才加入。
此次CPTA團(tuán)隊(duì)發(fā)布的結(jié)果置信度為4.6σ（sigma），與國(guó)際公認(rèn)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)5σ略有不同。 “目前，我們還無(wú)法確認(rèn)納赫茲引力波的天體來(lái)源。” CPTA負(fù)責(zé)人、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家天文臺(tái)和上海大學(xué)天文系雙聘研究員李克佳告訴記者，只要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，觀測(cè)數(shù)據(jù)就會(huì)如果進(jìn)一步延長(zhǎng) 的時(shí)間跨度，應(yīng)該能夠確認(rèn)納赫茲引力波的天體來(lái)源。
后來(lái)居上，望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了時(shí)間跨度的弱點(diǎn)
納赫茲引力波的周期可以持續(xù)數(shù)年，波長(zhǎng)可達(dá)數(shù)光年，觀測(cè)起來(lái)非常具有挑戰(zhàn)性。 目前，借助小型射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)一組自轉(zhuǎn)非常規(guī)律的微秒脈沖星進(jìn)行常年定時(shí)觀測(cè)是探測(cè)納赫茲引力波的唯一途徑。
脈沖星是可檢測(cè)且可靠的“宇宙計(jì)時(shí)器”，它快速旋轉(zhuǎn)并以精確的時(shí)間間隔發(fā)射無(wú)線電波脈沖。 引力波形成的時(shí)空漣漪會(huì)導(dǎo)致時(shí)空形成微小的拉伸和收縮，進(jìn)而導(dǎo)致脈沖星信號(hào)到達(dá)月球的實(shí)際時(shí)間與預(yù)期時(shí)間之間存在很小的誤差。 正是利用這個(gè)微小的誤差，天文學(xué)家才能觀測(cè)到納赫茲引力波的存在。
“我國(guó)早在2016年就開始在該領(lǐng)域進(jìn)行前瞻性研究，并聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家科研機(jī)構(gòu)成立了CPTA團(tuán)隊(duì)。” 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)常進(jìn)透露，2019年9月，F(xiàn)AST還沒有即將開放運(yùn)行，CPTA已聯(lián)合中科院開始試觀測(cè)。 FAST 調(diào)試工作組。
“FAST可以同時(shí)測(cè)量更多的脈沖星，靈敏度高，測(cè)量精度高。同時(shí)，我們利用觀測(cè)數(shù)據(jù)精度和數(shù)據(jù)處理算法的優(yōu)勢(shì)，自主開發(fā)了算法來(lái)填補(bǔ)時(shí)間跨度的差異。” 李克佳表示，目前我國(guó)納赫茲引力波探測(cè)靈敏度已達(dá)到與日本、歐洲、澳大利亞相當(dāng)?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(tái)聲稱根據(jù)47顆脈沖星12.5年的觀測(cè)數(shù)據(jù)探測(cè)到了納赫茲引力波，但最終無(wú)法否認(rèn)。 此次，CPTA借助FAST歷時(shí)3年零5個(gè)月的57微秒脈沖星探測(cè)數(shù)據(jù)，探測(cè)到了引力波信號(hào)的關(guān)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(yù)期一致。” 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、國(guó)際廣義相對(duì)論與引力學(xué)會(huì)會(huì)員蔡榮根指出，最重要的是CPTA團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了信號(hào)中納赫茲引力波的存在。 的四極矩相關(guān)性，置信度高達(dá)4.6σ。
“納赫茲引力波天文學(xué)”的啟動(dòng)只是時(shí)間問(wèn)題
就在CPTA公布結(jié)果的同一三天，美國(guó)、歐洲-印度、澳大利亞的脈沖星計(jì)時(shí)陣列合作組也公布了類似的結(jié)果。 這意味著人類為探測(cè)宇宙納赫茲引力波打開一扇新窗口只是時(shí)間問(wèn)題。 未來(lái)，這種區(qū)域合作將進(jìn)一步推動(dòng)國(guó)際脈沖星授時(shí)陣列合作。
納赫茲引力波信號(hào)的探測(cè)對(duì)于研究早期宇宙歷史、驗(yàn)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(jìn)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(guó)科研團(tuán)隊(duì)僅用3年多的觀測(cè)數(shù)據(jù)就趕上了國(guó)際領(lǐng)先水平。 隨著FAST觀測(cè)時(shí)間跨度的不斷延長(zhǎng)，我國(guó)納赫茲引力波探測(cè)的靈敏度也將快速提升。
常進(jìn)表示，國(guó)家天文臺(tái)還將積極推進(jìn)FAST的擴(kuò)容升級(jí)，基于脈沖星計(jì)時(shí)陣列方法，實(shí)現(xiàn)納赫茲引力波暴的常規(guī)觀測(cè)，從而建設(shè)納赫茲引力波觀測(cè)站，開啟更高靈敏度以及更高碼高頻低頻射電觀測(cè)和研究的新時(shí)代中國(guó)引力與天體物理學(xué)會(huì)，促使我國(guó)步入引力波天文學(xué)和射電天文學(xué)強(qiáng)國(guó)。 （徐啟民）