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光明網(wǎng)訊（記者宋雅娟肖春芳）引力波是由加速運動的有質(zhì)量物體擾動周圍的時空而產(chǎn)生時空的漣漪，類似于水中傳播的波浪。引力波的頻率范圍非常廣泛，從納赫茲到數(shù)千赫茲，涵蓋了不同的物理過程和天文現(xiàn)象。其中，對頻率低至納赫茲的引力波進行探測，將有助于天文學(xué)家理解宇宙結(jié)構(gòu)的起源，探測宇宙中最大質(zhì)量的天體即超大質(zhì)量黑洞的增長、演化及并合過程；也有助于物理學(xué)家洞察時空的基本物理原理。
不過，相比于其他頻率范圍的引力波，納赫茲引力波頻率更低，周期長達數(shù)年，其波長可達數(shù)光年，對它的探測十分具有挑戰(zhàn)性。目前尚沒有直接探測到這類引力波的地面實驗設(shè)備，利用大型射電望遠鏡對一批自轉(zhuǎn)極其規(guī)律的毫秒脈沖星進行長期測時觀測，是已知的唯一探測手段。
近日，由中國科學(xué)院國家天文臺等單位科研人員組成的中國脈沖星測時陣列（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(guān)鍵性證據(jù)，表明我國納赫茲引力波研究與國際同步達到領(lǐng)先水平。相關(guān)論文6月29日在我國天文學(xué)術(shù)期刊《天文與天體物理研究（RAA）》在線發(fā)表。與此同時，來自歐洲-印度、北美和澳大利亞等國家和地區(qū)的另外3個國際團隊同步發(fā)表了各自獨立獲得并且相互印證的結(jié)果。
在此次研究中，CPTA團隊利用FAST對57顆毫秒脈沖星進行了長期系統(tǒng)性監(jiān)測，并將這些毫秒脈沖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。該團隊基于獨立開發(fā)的軟件，對 FAST收集的時間跨度3年5個月的數(shù)據(jù)進行分析研究，在4.6西格瑪置信度水平（誤報率小于五十萬分之一）上發(fā)現(xiàn)了具有納赫茲引力波特征的四極相關(guān)信號的證據(jù)。
目前我們已知的宇宙中，納赫茲引力波來源于星系中心的超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)（億到千億倍太陽質(zhì)量）相互繞轉(zhuǎn)及并合，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。開辟納赫茲引力波探測宇宙的新窗口對于理解超大質(zhì)量黑洞、星系并合歷史、宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成等問題具有重大意義。這也使得發(fā)現(xiàn)納赫茲引力波成為國際物理和天文領(lǐng)域競賽的焦點之一。國際上，美國NANOGrav、歐洲EPTA、澳大利亞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(lǐng)域，包括我國的CPTA，印度InPTA和南非SAPTA。
脈沖星測時陣探測納赫茲引力波的靈敏度強烈依賴于觀測時間跨度——即靈敏度隨著觀測時間跨度的增長而迅速增加。面對觀測時間跨度遠短于美、歐、澳三個國際團隊的不利局面，CPTA研究團隊充分利用FAST靈敏度高、可監(jiān)測脈沖星數(shù)目多、測量精度更高的優(yōu)勢，長期系統(tǒng)地監(jiān)測了一大批毫秒脈沖星，自主開發(fā)獨立數(shù)據(jù)分析軟件，以數(shù)據(jù)精度、脈沖星數(shù)量和數(shù)據(jù)處理算法上的優(yōu)勢彌補了時間跨度上的差距，使我國納赫茲引力波探測靈敏度很快達到了與美、歐、澳相當?shù)乃?，從而同時實現(xiàn)此次重大科學(xué)突破。
不過，受限于當前觀測數(shù)據(jù)較短的時間跨度，CPTA團隊暫時無法確定納赫茲波段引力波的主要物理來源，但這將隨著后續(xù)觀測數(shù)據(jù)時間跨度的增加而解決。由于CPTA現(xiàn)有數(shù)據(jù)時間跨度較短，所以數(shù)據(jù)時間跨度增長帶來的效果會更明顯，例如，如果數(shù)據(jù)時間跨度再增長3年5個月，CPTA的數(shù)據(jù)時間跨度將翻倍，而其他國際團隊僅增長不到20%。
中國科學(xué)院院士蔡榮根表示，下一步，通過數(shù)據(jù)的進一步積累，一個關(guān)鍵的問題是去確定引力波譜指數(shù)，這蘊含著引力波源的豐富物理。如果譜指數(shù)是-2/3，則可以肯定探測到的引力波源是超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)，這將是首次觀測到宇宙中存在這樣的超大質(zhì)量雙星系統(tǒng)。這對理解這些雙星系統(tǒng)的形成和演化具有重要的意義。
據(jù)介紹，后續(xù)，中國科學(xué)院國家天文臺將充分發(fā)揮FAST脈沖星測時精度國際領(lǐng)先優(yōu)勢，加快納赫茲引力波探測科研攻關(guān)，積累更長期的觀測數(shù)據(jù)，逐步發(fā)表更高精度的探測結(jié)果，打開人類利用納赫茲引力波探測宇宙的新窗口。同時，國家天文臺還將積極推進FAST擴展和升級，基于脈沖星測時陣列方法，實現(xiàn)納赫茲引力波事件的常規(guī)觀測，從而建成納赫茲引力波天文臺，并開啟更高靈敏度和更高分辨率的低頻射電觀測研究新紀元，將我國加快建設(shè)成為引力波天文和射電天文的強國。
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