張文滔

2023 年6 月， 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（Chinese PulsarTiming Array，簡寫為CPTA）研究團隊利用中國天眼（500米口徑球面射電望遠鏡，F(xiàn)ive-hundred-meter ApertureSpherical radio Telescope，簡寫為FAST），探測到納赫茲引力波存在的關(guān)鍵性證據(jù)，表明中國納赫茲引力波研究與國際同步，達到領(lǐng)先水平。

FAST 的故事我們已經(jīng)聽得太多，如快速射電暴、中性氫、脈沖星……它與引力波的故事還是第一次聽到。那么，它是怎樣探測引力波的？納赫茲引力波探測與2017 年的引力波探測有什么不同？讓我們先從100 多年前說起吧。

時空的漣漪，幫助我們探尋不可見的物質(zhì)

1915年，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對論，這個全新的理論告訴我們，引力是時空彎曲產(chǎn)生的結(jié)果——時空告訴物質(zhì)如何運動，物質(zhì)告訴時空如何彎曲。

我們可以把時空想象成平靜的水面，有質(zhì)量的物體能讓時空本身發(fā)生彎曲。如果宇宙中有質(zhì)量的物體發(fā)生劇烈的加速運動（例如超新星爆發(fā)、兩個巨大的星體發(fā)生碰撞、兩個致密星體并合等），就像往水里扔了一塊石頭，讓時空本身也泛起“漣漪”。這些“漣漪”攜帶著波源天體激烈動蕩的信息和關(guān)于引力本質(zhì)的線索，以光速向遠處傳播。這種時空“漣漪”就是引力波。

引力波給我們提供了探索宇宙的新方式，讓我們知道在看不到的宇宙空間里發(fā)生了什么。

宇宙中發(fā)光的物質(zhì)非常少，大部分（約95%）都是真正的、永恒的“黑暗”——暗物質(zhì)和暗能量，不管造多強、多好的望遠鏡，這些“黑暗”我們都“看不到”。

不過，引力波可以直接跟蹤宇宙中有質(zhì)量物體的運動（不管是否可見），利用引力波觀測，我們能夠捕捉到“黑暗”的蛛絲馬跡。比如，2015年，人類第一次探測到的引力波GW150914，就是距離地球10億光年之外的一個遙遠星系中兩個恒星級黑洞發(fā)生了并合。人類能知道這個過程，這在以前是不可想象的。

引力波不但大大擴展了我們對宇宙的感知，對物理學(xué)也有重要意義。通過對它的探測，可以檢驗?zāi)壳暗囊碚?，檢驗人類對時間和空間的基本認(rèn)知是否正確。

探測不同的引力波，需要不同的“尺子”

探測引力波的基本原理是：引力波經(jīng)過的區(qū)域，空間的長度會被周期性地拉伸和收縮。換言之，引力波經(jīng)過時，與之垂直的平面就會處于不斷伸縮的狀態(tài)：橫向收縮，縱向就拉伸；橫向拉伸，縱向就收縮?？臻g本身的形變會讓置身其中的物體也跟著形變。探測出這種形變，就能說明我們觀測到了引力波。

也許有人會問，美國的激光干涉引力波天文臺（LaserInterferometer Gravitational-Wave Observatory，簡寫為LIGO）不是已經(jīng)探測到引力波，還幫助做出此貢獻的科學(xué)家拿到了諾貝爾獎嗎？為什么還需要其他裝置（比如FAST）來探測呢？答案是：不同的天文事件會產(chǎn)生不同頻率的引力波，需要不同的“尺子”來測量。引力波的頻率越低，其波長越長，需要的“尺子”就越長。對越長的波長更敏感，也就是對越低的頻率更敏感。

頻率在10～1000赫（百赫茲）波段的引力波由恒星級雙黑洞、雙中子星并合產(chǎn)生，這些波源離地球相對較近，LIGO 可以探測到。它的“尺子”是兩條相互垂直、長度達4千米的管道，激光在管道中穿行。在引力波的影響下，這條光線路徑的等效長度會發(fā)生規(guī)律性的變化。激光干涉儀能夠把引力波導(dǎo)致的長度變化轉(zhuǎn)變?yōu)榧す飧缮娼Y(jié)果的光強變化，因此，可以通過測量激光干涉結(jié)果的變化來捕捉引力波。

把同樣原理的激光干涉裝置放到天上，“尺子”就可以長達數(shù)百萬千米，捕捉毫赫茲頻段的引力波（由雙星繞轉(zhuǎn)、大質(zhì)量黑洞俘獲致密星產(chǎn)生）。歐洲的LISA 計劃，中國的太極計劃、天琴計劃等空間引力波探測裝置，都是用衛(wèi)星組成激光干涉儀網(wǎng)絡(luò)，進行長距離的干涉測量。

要想探測到宇宙中更遠的由超大質(zhì)量雙黑洞、宇宙弦引發(fā)的更低頻率的引力波（也就是周期在年量級的納赫茲引力波），就需要更長的“尺子”了。目前，已知的唯一探測手段為利用大型射電望遠鏡觀測宇宙中的脈沖星，F(xiàn)AST 探測引力波時利用的脈沖星測時陣列其實有銀河系那么大。

極低頻段（10赫）的引力波探測就要利用宇宙微波背景輻射了，比如南極BICEP2、西藏阿里觀測項目。

所以說，各種探測裝置分別示蹤一系列不同頻率的引力波信號，彼此互為補充，不能相互替代。

探測納赫茲引力波有多難

對頻率低至納赫茲的引力波進行探測，可以觀測真正深遠的宇宙，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。

探測納赫茲引力波需要利用脈沖星，準(zhǔn)確地說，是一群脈沖星。

脈沖星是一類磁場強且高速自轉(zhuǎn)的中子星，它的自轉(zhuǎn)很穩(wěn)定，每隔固定的時間就發(fā)出一個脈沖信號。如果不受其他因素影響，那么我們在地球上就能穩(wěn)定地收到這種信號。

脈沖星的脈沖到達地球的時間極其規(guī)律，而引力波經(jīng)過的區(qū)域，空間的相對長度會被周期性地拉伸和收縮。這自然地催生了一種想法：如果一列引力波經(jīng)過了地球和脈沖星中間的區(qū)域，那么脈沖星的信號就會發(fā)生改變，從而改變脈沖到達的時間。觀測到這種脈沖到達時間的變化，也就等于探測到了引力波。這就是利用脈沖星測時（PTA）探測引力波的基本原理。

為什么不能只觀測一顆脈沖星來探測引力波呢？因為對一顆脈沖星而言，我們不知道探測的信號是引力波、脈沖星噪聲，還是其他的假信號，必須利用多顆脈沖星相關(guān)的方法，來尋找相關(guān)信號，以區(qū)分引力波和噪聲。

如果我們發(fā)現(xiàn)多顆脈沖星同時發(fā)生某種規(guī)律性變化，就可以說探測到引力波了。利用大型射電望遠鏡對一批自轉(zhuǎn)極其穩(wěn)定的毫秒脈沖星（每秒自轉(zhuǎn)數(shù)百次，周期極其穩(wěn)定，其測時精度可媲美地球上最好的原子鐘）進行長期測時觀測，是納赫茲引力波目前已知的唯一探測手段。

納赫茲引力波探測，是一個國際上競爭激烈的領(lǐng)域，相關(guān)思想早在1983年便被提出。國際上的探測團組有北美納赫茲引力波天文臺（NANOGrav）、歐洲脈沖星測時陣列（EPTA）、澳洲帕克斯脈沖星測時陣列（PPTA）、印度脈沖星測時陣列（InPTA）、南非脈沖星測時陣列（SAPTA）和中國脈沖星測時陣列（CPTA）。

由于納赫茲引力波引起的時空改變非常微弱，引力波的周期也達到了年量級（時空的改變以年度為單位）。對它的探測在物理尺度和時間尺度上都很“大”，不但需要造銀河系尺度的探測器（脈沖星測時陣列），還需要觀測很長時間，才能把時間周期長達數(shù)年的信號給找出來。

在FAST 探測到納赫茲引力波存在的關(guān)鍵性證據(jù)之前，世界上還沒有一個團組得到過確切的探測結(jié)果。

3 年5 個月，F(xiàn)AST 拿到了關(guān)鍵證據(jù)

2 0 1 6年6月， 中國科學(xué)院啟動了納赫茲引力波預(yù)研究，聯(lián)合北京大學(xué)，中國科學(xué)院新疆天文臺、云南天文臺、上海天文臺，國家授時中心及廣州大學(xué)等多家相關(guān)單位組建了中國脈沖星測時陣列研究團隊。2019年上半年，F(xiàn)AST 開展了試觀測，由此拉開了CPTA 團隊探測納赫茲引力波的序幕。

不過，脈沖星測時陣列探測納赫茲引力波的靈敏度高度依賴觀測時間跨度——即靈敏度隨著觀測時間的增長而迅速增加。

NANOGrav、EPTA、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。在這個領(lǐng)域，CPTA 團隊是實實在在的“后來者”。那么，他們的優(yōu)勢在哪里？

CPTA 團隊以數(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。FAST是目前全球最大且最靈敏的射電望遠鏡，也是全球搜尋脈沖星效率最高的射電望遠鏡。截至目前，F(xiàn)AST 已發(fā)現(xiàn)740余顆新脈沖星。

CPTA 研究團隊面對觀測時間跨度遠短于其他國際團隊的不利局面，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)測著57顆毫秒脈沖星，并將這些毫秒脈沖星組成銀河系尺度的引力波探測器陣列，用以搜尋納赫茲引力波。

CPTA 團隊自主開發(fā)獨立數(shù)據(jù)分析軟件，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1/500 000）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)。

本次測量到的引力波特征幅度很小，約為4×10-15，這意味著它造成的時空改變極其微弱：在距離上，1千米尺度引力波引起的擾動約為氫原子直徑的1/100；在時間上，千萬年尺度上才變化1秒。對納赫茲引力波的探測，也是在挑戰(zhàn)人類精密測量的極限。

本次關(guān)鍵性證據(jù)由4個國際團隊分別獨立獲得、獨立發(fā)表、相互印證，說明中國納赫茲引力波探測的靈敏度很快達到了與美、歐、澳相當(dāng)?shù)乃?，從而同時實現(xiàn)了此次重大科學(xué)突破。人類終于站在了期盼已久的納赫茲引力波宇宙觀測的窗口前。

不過，CPTA暫時無法確定納赫茲引力波的主要物理來源（其他國際團隊也無法確定）。這將隨著FAST 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，其他國際團隊則增長不到20%。

未來還要做什么

FAST 是目前世界上最大、最靈敏的單口徑射電望遠鏡，它將使中國在射電天文領(lǐng)域領(lǐng)先20年。從跟跑到領(lǐng)跑，這背后，是中國不斷崛起的科技力量。未來，我們還將看到FAST 進行擴展和升級，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(jì)元。

本文轉(zhuǎn)自微信公眾號“中國國家天文”