天文物理喜迎“双丰收”：引力波、中微子同时获重大突破

纳赫兹引力波是引力波的一种，而引力波是由加速运动的有质量物体扰动周围的时空而产生时空的涟漪。对频率低至纳赫兹的引力波进行探测，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。 

6月29日，国际上各大脉冲星测时阵列合作组，包括我国CPTA、欧洲EPTA-印度InPTA、北美NANOGRAV和澳大利亚PPTA，在同一天宣布探测到纳赫兹引力波存在的关键性证据。

在此次研究中，CPTA团队利用FAST对57颗毫秒脉冲星进行了长期系统性监测，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。该团队基于独立开发的软件，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。 

引力波信号极其微弱，却是探测宇宙中不发光物质的直接手段，探测引力波并且开辟引力波观测宇宙的新窗口是天文学家长期以来追求的目标。20世纪70-80年代，引力波的存在通过观测脉冲双星系统的轨道变化得以间接证实，并获得了1993年诺贝尔物理学奖。2016年，美国激光干涉引力波天文台（简称LIGO）宣布在百赫兹频段探测到恒星级质量双黑洞并合产生的引力波，并因此获得了2017年诺贝尔物理学奖。更大质量的天体产生的引力波频率更低。例如，宇宙中质量最大的天体，星系中心的超大质量双黑洞系统（亿到千亿倍太阳质量）系统绕转产生的引力波主要集中在纳赫兹频段，相应的信号时标为年到几十年。在这个频段内，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。 

开辟纳赫兹引力波探测宇宙的新窗口对于理解超大质量黑洞、星系并合历史、宇宙大尺度结构形成等问题具有重大意义。纳赫兹引力波由于频率极低、周期长达数年，其波长可达数光年，对它的探测十分具有挑战性。利用大型射电望远镜对一批自转极其规律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。

发现纳赫兹引力波是国际物理和天文领域竞赛的焦点之一。国际上，美国NANOGrav、欧洲EPTA、澳大利亚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。近期一些新生力量也逐渐加入这一领域，包括我国的CPTA，印度InPTA和南非SAPTA。 

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。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，长期系统地监测了一大批毫秒脉冲星，自主开发独立数据分析软件，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，使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。

不过，受限于当前观测数据较短的时间跨度，CPTA团队暂时无法确定纳赫兹波段引力波的主要物理来源，但这将随着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%。 

中微子是一种电中性的基本粒子，其质量即使相比于其他亚原子粒子也是非常微小的。它可能是现在唯一一种已探测到的暗物质，是一种热暗物质。由于中微子是电中性的，同时还是一种轻子，因此不参与强相互作用以及电磁相互作用,而只参与引力相互作用以及弱相互作用。由于弱相互作用作用距离非常短，而引力相互作用在亚原子尺度下又是十分微弱的，因而中微子在穿过一般物质时不会受到太多阻碍，且难以检测。

IceCube中微子追踪器坐落在南极洲地表下超过2公里（1.24英里）的约10亿吨冰中。由于中微子不能令周围的物质发生电离，所以人们现在尚且无法直接观测中微子。只能通过反β衰变检测反中微子。2013年11月，IceCube Collaboration 宣布观测到 28 个极高能粒子事件，这些观测构成了发现宇宙产生的中微子的首个坚实证据。

对中微子的首次观测表明，中微子大多产生于银河系之外的活跃星系。天体物理学的相关研究认为，伽马射线与中微子极有可能产生相同的物理过程。而伽马射线天文观测又显示了银河系内部的明亮发射。因此，银河系内部也应观测到中微子的存在。威斯康星大学麦迪逊分校物理学教授、IceCube 首席研究员Francis Halzen 表示：“有趣的是，与任何波长的光不同，就中微子而言，系外中微子源的亮度超过了我们星系中附近的中微子源。” 

为了解决这个疑问，IceCube Collaboration 利用机器学习工具对观测数据进行了整理分析，重新搜索了银河系内部的中微子发射。他们最终找到了沿着银河系平面发射的额外中微子的证据，这些证据与伽马射线发射的分布一致。这也就意味着，高能中微子可以由银河系内部的邻近源头产生。

机器学习等最新人工智能技术在天文观测上的应用，是该研究成功的重要前提。美国国家科学基金会物理部主任Denise Caldwell表示：“高度灵敏的 IceCube 探测器提供的功能，再加上新的数据分析工具，让我们对银河系有了全新的认识——而我们此前只得到了一些暗示性的结论。随着这些能力的不断完善，我们可以期待看到这张图片以越来越高的分辨率出现，并且有可能揭示人类从未见过的银河系的隐藏特征。”

我国的中微子研究中心也在积极发展之中。我国的江门中微子实验室（JUNO）位于广东省江门开平市，是由中科院和广东省共同建设的大科学装置，以测定中微子质量顺序、精确测量中微子混合参数为主要科学目标，并进行其他多项科学前沿研究。项目预计2024年建成运行，届时将成为国际中微子研究的中心之一。