关于引力波，中国天眼FAST有重磅发现！

2023-06-29 05:06

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中国天眼FAST又立功了！这次是引力波！人类终于站在了期盼已久的纳赫兹引力波宇宙观测窗口前！

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（CPTA）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，表明我国纳赫兹引力波研究与国际同步达到领先水平。6月29日，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。

FAST的故事我们已经听得太多（快速射电暴、中性氢、脉冲星……），它与引力波的故事还是第一次听到，它是怎么探测引力波的？纳赫兹引力波探测与获得2017年诺奖的引力波探测有什么不同？

先从一百多年前说起吧。

时空的涟漪，

帮助我们探寻不可见的物质

1915年，爱因斯坦发表了广义相对论，这个全新的理论告诉我们，引力是时空弯曲产生的结果——时空告诉物质如何运动，物质告诉时空如何弯曲。

广义相对论里的引力：引力不是“力”，是时空一种弯曲效果

我们可以把时空想象成平静的水面，有质量的物体能让时空本身发生弯曲。如果宇宙中有质量的物体发生剧烈的加速运动（例如超新星爆发、两个巨大的星体发生碰撞、或者两个致密星体并合（中子星与黑洞这类星体的碰撞与并合），就像往水里扔进了石头，让时空本身也泛起“涟漪”。这些“涟漪”携带着波源天体激烈动荡的信息和关于引力本质的线索，以光速向远处传播，这种时空“涟漪”就是引力波。

图片来源：veer图库

引力波给我们提供了探索宇宙的新方式，让我们知道在看不到的宇宙空间里发生了什么。

宇宙中发光的物质非常少，大部分（约95%左右）都是真正的、永恒的“黑暗”——暗物质和暗能量，不管造多强多好的望远镜，这些“黑暗”我们都“看不到”。

但是，引力波可以直接跟踪宇宙中有质量物体的运动（不管是否可见），利用引力波观测，我们能够捕捉到“黑暗”的蛛丝马迹。比如，2015年人类第一次探测到的引力波GW150914，就是距离地球10亿光年之外的一个遥远星系中两个恒星级黑洞发生了并合，人类能知道这个过程，这在以前是不可想象的。

LIGO探测到双黑洞并合产生引力波（节选自Journey of a Gravitational Wave，Credit: LIGO/SXS/R. Hurt and T. Pyle）

引力波不但大大扩展了我们对宇宙的感知，它对物理学也有重要意义，通过对它的探测，可以检验目前的引力理论，检验人类对时间和空间的基本认知是否正确。

探测不同的引力波，

需要不同的“尺子”

探测引力波的基本原理是：引力波所经过的区域，空间的长度会被周期性地拉伸和收缩。换言之，引力波经过时，与之垂直的平面就会处于不断伸缩的状态：横向收缩，纵向就拉伸；横向拉伸，纵向就收缩。空间本身的形变会让置身其中的物体也跟着形变。探测出这种形变，就能说明我们观测到了引力波。

也许有人会问， LIGO不是已经探测到引力波，还拿了诺贝尔奖吗？为什么还需要其他装置（比如FAST）来探测呢？

答案是：不同的天文事件会产生不同频率的引力波，需要不同的“尺子”来测量。引力波的频率越低波长越长，所以“尺子”越长，对越长的波长更敏感，也就是对更低的频率更敏感。

频率在10~1000赫兹波段的引力波由恒星级双黑洞、双中子星并合产生，这些波源离地球相对较近，LIGO可以探测到。它的“尺子”是两条相互垂直、长度达4公里的管道，激光在管道中穿行。在引力波的影响下，这光线路径的等效长度会发生规律性的变化。激光干涉仪把引力波导致的长度变化，转变为激光干涉结果的光强变化。因此可以通过测量激光干涉结果的变化来捕捉引力波。

LIGO原理示意图

把同样原理的激光干涉装置放到天上，“尺子”就可以长达数百万公里，捕捉毫赫兹频段的引力波（由双星绕转、大质量黑洞俘获致密星产生的）。欧洲的LISA计划，中国的太极计划、天琴计划等空间引力波探测装置，都是用卫星组成干涉仪网络进行长距离的干涉测量。

LISA计划示意图

要想探测到更远的宇宙中由超大质量双黑洞、宇宙弦引发的更低频率引力波（也就是周期在年量级的纳赫兹引力波），就需要更长的“尺子”了。目前已知的唯一探测手段为利用大型射电望远镜观测宇宙中的脉冲星，FAST探测引力波时利用的脉冲星测时阵列其实有银河系那么大。

极低频段（10^-16赫兹）的引力波探测就要利用宇宙微波背景辐射了，比如南极BICEP2、西藏阿里观测项目。

所以说，各种探测装置分别示踪一系列不同频率的引力波信号，彼此互为补充，不能相互替代。

探测纳赫兹引力波，

有多难？

对频率低至纳赫兹的引力波进行探测，可以观测真正深远的宇宙，将有助于天文学家理解宇宙结构的起源，探测宇宙中最大质量的天体即超大质量黑洞的增长、演化及并合过程；也有助于物理学家洞察时空的基本物理原理。

探测纳赫兹引力波需要利用脉冲星，准确地说，是一群脉冲星。

脉冲星是一类磁场强且高速自转的中子星，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，那么我们在地球上就能稳定地收到这种信号。

脉冲星的脉冲到达地球的时间极其规律，而引力波所经过的区域，空间的相对长度会被周期性地拉伸和收缩。这自然地催生了一种想法：如果一列引力波经过了地球和脉冲星中间的区域，那么脉冲星信号就会发生改变，从而改变脉冲到达时间。观测到这种脉冲到达时间的变化，也就等于探测到了引力波。这就是利用脉冲星测时（PTA）探测引力波的基本原理。

脉冲星计时阵列示意图。绿色网格代表受引力波影响而抖动的时空

为什么不能只观测一颗脉冲星来探测引力波呢？因为对于一颗脉冲星而言，我们不知道探测的信号是引力波、脉冲星噪声，还是其他的假信号，必须利用多颗脉冲星相关的方法，来寻找相关信号以区分引力波和噪声。

如果我们发现多颗脉冲星同时发生某种规律性变化（比如出现下面这种曲线），就可以说探测到引力波了。利用大型射电望远镜对一批自转极其稳定的毫秒脉冲星进行长期测时观测，是纳赫兹引力波目前已知的唯一探测手段。

不同脉冲星的测时残差中由引力波引起的部分存在相关性，这个相关性是脉冲星对之间角距离的函数。这种空间相关关系被称为Hellings 和 Downs曲线

纳赫兹引力波探测，是一个国际上竞争激烈的领域，相关思想早在1983年便已提出。国际上的探测团组有北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）, 欧洲脉冲星测时阵列（EPTA），澳洲帕克斯脉冲星测时阵列（PPTA）,以及印度脉冲星测时阵列（InPTA）,南非脉冲星测时阵列（SAPTA）和中国脉冲星测时阵列（CPTA）。

但是由于纳赫兹引力波引起的时空改变非常微弱，引力波的周期也达到了年量级（时空的改变以年度为单位）。对它的探测在物理尺度和时间尺度上都很“大”，不但需要造银河系尺度探测器（脉冲星测时阵列），还需要观测很长时间，才能把时间周期长达数年的信号给找出来。

在FAST探测到纳赫兹引力波存在的关键性证据之前，还没有一个团组得到了确切的探测结果。

3年5个月，

FAST拿到了关键证据！

2016年6月，中国科学院启动了纳赫兹引力波预研究。联合国内北京大学，中国科学院新疆天文台、云南天文台、上海天文台、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）。2019年上半年FAST开展了试观测，由此拉开了CPTA团队探测纳赫兹引力波的序幕。

不过，脉冲星测时阵探测纳赫兹引力波的灵敏度强烈依赖于观测时间跨度——即灵敏度随着观测时间跨度的增长而迅速增加。

NANOGrav、EPTA、PPTA，利用各自的大型射电望远镜，已分别开展了长达20年的纳赫兹引力波搜寻。在这个领域，CPTA团队是实实在在的“后来者”，我们的优势在哪里？

CPTA团队以数据精度、脉冲星数量和数据处理算法上的优势弥补了时间跨度上的差距。

FAST是目前全球最大且最灵敏的射电望远镜，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。

CPTA研究团队面对观测时间跨度远短于美、欧、澳三个国际团队的不利局面，充分利用FAST灵敏度高、可监测脉冲星数目多、测量精度更高的优势，长期系统地监测了57颗毫秒脉冲星，并将这些毫秒脉冲星组成了银河系尺度大小的引力波探测器来搜寻纳赫兹引力波。团队自主开发独立数据分析软件，对 FAST收集的时间跨度3年5个月的数据进行分析研究，在4.6西格玛置信度水平（误报率小于五十万分之一）上发现了具有纳赫兹引力波特征的四极相关信号的证据。

图片来源：中国科学院国家天文台

本次测量到的引力波特征幅度很小，约为4×10^-¹⁵，这意味着，它造成的时空改变极其微弱，在距离上，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，在时间上，千万年尺度上才变化1秒。对纳赫兹引力波的探测，也是在挑战人类精密测量的极限了。

本次关键性证据由4个国际团队分别独立获得、独立发表、相互印证，说明我国纳赫兹引力波探测灵敏度很快达到了与美、欧、澳相当的水平，从而同时实现此次重大科学突破，人类终于站在了期盼已久的纳赫兹引力波宇宙观测窗口前！

不过，CPTA暂时无法确定纳赫兹波段引力波的主要物理来源（其他国际团队也无法确定）。不过这将随着FAST后续观测数据时间跨度的增加而解决。由于CPTA现有数据时间跨度较短，所以数据时间跨度增长带来的效果会更明显，例如，如果数据时间跨度再增长3年5个月，CPTA的数据时间跨度将翻倍，而其他国际团队仅增长不到20%。