再获世界级发现！中国天眼“看见”引力波踪影

近日，由中国科学院国家天文台科研人员组成的中国脉冲星定时阵列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证据，标志着我国纳赫兹引力波研究取得了重大进展。已达到世界领先地位。 等级。 相关论文在线发表在我国天文学术期刊《天文学与天体物理学研究（RAA）》上。

纳赫兹引力波是引力波的一种

根据爱因斯坦的广义相对论，时空可以弯曲，有质量的物体在其中加速，扰动周围的时空，就会产生引力波。 这就像将一块石头扔进水中会产生水波，因此引力波通常被称为“时空波纹”。

国家天文台研究员、论文通讯作者李克佳表示：“纳赫兹引力波是引力波的一种，探测频率低至纳赫兹的引力波，将有助于天文学家了解纳赫兹引力波的起源。”宇宙的结构。”

引力波信号极其微弱，但却是探测宇宙中不发光物质的直接手段。 探测引力波，打开宇宙引力波观测的新窗口，是天文学家长期以来追求的目标。 20世纪70年代和80年代，通过观测脉冲星双星系统的轨道变化间接证实了引力波的存在，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宣布在100Hz频段探测到恒星质量双黑洞合并产生的引力波，并因此获得2017年诺贝尔物理学奖。 2017年8月，美国激光干涉引力波天文台探测到两颗中子星合并产生的引力波。 除了引力波信号外，还观测到了全频段的电磁辐射，预示着多信使天文学时代的到来。

质量越大的物体产生频率越低的引力波。 李克佳说：“比如，银河系中心的超大质量双黑洞系统是宇宙中质量最大的天体，其质量是太阳的1亿到1000亿倍。它产生的引力波它的轨道主要集中在纳赫兹频段，对应的信号时间尺度从一年到几十年，在这个频段内还可能存在早期宇宙原始引力波残余和奇异物体产生的引力波比如宇宙弦。”

开启纳赫兹引力波探测宇宙的新窗口，对于理解超大质量黑洞、星系合并历史、宇宙大尺度结构形成等问题具有重要意义。

探测纳赫兹引力波具有挑战性

纳赫兹引力波的发现是物理学和天文学领域国际竞赛的焦点之一。

论文第一作者、国家天文台助理研究员徐恒表示：“纳赫兹引力波频率极低，周期可达数年，波长可达数光年，因此探测起来非常困难。”利用大型射电望远镜对一组旋转极为规律的毫秒脉冲星进行长期定时观测，是目前已知唯一的纳赫兹引力波探测方法。”

国际上，北美纳赫兹引力波天文台、欧洲脉冲星计时阵列、澳大利亚帕克斯脉冲星计时阵列利用各自的大型射电望远镜进行了纳赫兹引力波搜寻长达20年。 近期，一些新势力也逐渐加入到这一领域，其中包括我国的中国脉冲星授时阵列、印度脉冲星授时阵列以及南非脉冲星授时阵列。

在这项研究中，科研团队利用中国天眼对57毫秒脉冲星进行了长期系统监测，并将这些毫秒脉冲星组成了银河系尺度的引力波探测器，用于寻找纳赫兹引力波。 基于自主开发的软件，研究人员对收集的3年零5个月的数据进行了分析研究，发现置信度为4.6 sigma时存在纳赫兹（误报率小于1） 500,000）。 引力波四极相关信号特征的证据。

脉冲星计时阵列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加而迅速增加。

面对观测时间跨度远短于美国、欧洲、澳大利亚三个国际团队的不利局面，研究团队充分利用我国天眼灵敏度高、可监测的脉冲星数量多，测量精度更高，系统监测了长期大量的毫秒脉冲星，自主开发的独立数据分析软件，以数据准确的优势弥补了时间跨度上的差距，脉冲星数和数据处理算法，使我国纳赫兹引力波探测灵敏度迅速达到与美国、欧洲同等水平。 ，澳大利亚同等水平，从而同时实现这一重大科学突破。 但受限于目前观测数据时间跨度较短，团队暂时无法确定纳赫兹频段引力波的主要物理来源。

“但这会随着后续观测数据时间跨度的增加而得到解决。” 李克佳表示，“由于我们团队现有数据的时间跨度比较短，增加数据时间跨度的效果会更加明显。比如，如果再增加3年零5个月，并且我们的数据时间跨度将增加一倍，而其他国际团队只增加了不到 20%。”

打开引力波天体物理学的全新窗口

2020年9月，北美纳赫兹引力波天文台利用47颗脉冲星12.5年的观测数据声称测得纳赫兹引力波中心振幅为1.92 x10^-15，频谱指数与理论超大质量双黑洞系统预计-2/3是一致的，但信号中没有看到与四极矩相关的-Downs曲线，这是引力波的关键证据。

中国科学院院士蔡荣根表示：“中国脉冲星计时阵列研究团队的成果与超大质量双黑洞系统的理论预期一致。尤其重要的是，团队发现四极矩信号在 4.6 个标准差之内。存在关系。”

蔡荣根告诉记者，通过数据的进一步积累，下一步的一个关键问题是确定引力波谱指数。 “如果光谱指数为-2/3，则可以确定探测到的引力波源是一个超大质量双黑洞系统。这是宇宙中第一次观测到这样的超大质量双星系统。对于理解这些双星系统的形成和演化具有重要意义。此外，除了超大质量双黑洞系统之外，理论研究表明还有丰富的物理过程可以产生纳赫频率范围内的引力波，如宇宙弦、宇宙碎片、宇宙相变、宇宙膨胀时的曲率涨落引起的随机引力波等。要区分这些物理过程，关键是确定引力波谱指数。

北京大学讲师何子山教授表示：“纳赫兹引力波的产生是对超大质量黑洞合并的独特预测。这个期待已久的预测，终于由中国脉冲星计时阵列研究利用中国天眼观测证据。这是一项具有持久重大意义的重大科学突破，不仅对星系演化和超大质量黑洞研究等广阔领域产生深远影响，而且为引力波天体物理学打开了一扇新窗口。”

未来，中国科学院国家天文台将充分发挥中国天眼脉冲星授时精度的国际领先优势，加快纳赫兹引力波探测科学研究，积累更长期的观测数据，逐步发布更高精度的探测结果，并开放纳赫兹引力波的使用。 引力波探测宇宙的新窗口。

中国科学院国家天文台台长、中国科学院院士常进表示：“国家天文台也将积极推动中国天眼的扩容升级，以脉冲星授时阵列为基础方法，实现纳赫兹引力波事件的常规观测，从而建设纳赫兹引力波事件波观测站，开启更高灵敏度、更高分辨率的低频射电观测研究新时代，加快建设纳赫兹引力波事件波观测站。我国成为引力波天文学和射电天文学强国。”