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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(yùn)動(dòng)的有質(zhì)量物體擾動(dòng)周圍的時(shí)空而產(chǎn)生時(shí)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(guò)程和天文現(xiàn)象。其中，對(duì)頻率低至納赫茲的引力波進(jìn)行探測(cè)，將有助于天文學(xué)家理解宇宙結(jié)構(gòu)的起源，探測(cè)宇宙中最大質(zhì)量的天體即超大質(zhì)量黑洞的增長(zhǎng)、演化及并合過(guò)程；也有助于物理學(xué)家洞察時(shí)空的基本物理原理。
不過(guò)，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(zhǎng)達(dá)數(shù)年，其波長(zhǎng)可達(dá)數(shù)光年，對(duì)它的探測(cè)十分具有挑戰(zhàn)性。目前尚沒(méi)有直接探測(cè)到這類引力波的地面實(shí)驗(yàn)設(shè)備，利用大型射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)一批自轉(zhuǎn)極其規(guī)律的毫秒脈沖星進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)時(shí)觀測(cè)，是已知的唯一探測(cè)手段。
近日，由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)等單位科研人員組成的中國(guó)脈沖星測(cè)時(shí)陣列（CPTA）研究團(tuán)隊(duì)，利用中國(guó)天眼FAST，探測(cè)到納赫茲引力波存在的關(guān)鍵性證據(jù)，表明我國(guó)納赫茲引力波研究與國(guó)際同步達(dá)到領(lǐng)先水平。相關(guān)論文6月29日在我國(guó)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(shí)，來(lái)自歐洲-印度、北美和澳大利亞等國(guó)家和地區(qū)的另外3個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)同步發(fā)表了各自獨(dú)立獲得并且相互印證的結(jié)果。
在此次研究中，CPTA團(tuán)隊(duì)利用FAST對(duì)57顆毫秒脈沖星進(jìn)行了長(zhǎng)期系統(tǒng)性監(jiān)測(cè)，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(cè)器來(lái)搜尋納赫茲引力波。該團(tuán)隊(duì)基于獨(dú)立開(kāi)發(fā)的軟件，對(duì) FAST收集的時(shí)間跨度3年5個(gè)月的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，在4.6西格瑪置信度水平（誤報(bào)率小于五十萬(wàn)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(hào)的證據(jù)。
目前我們已知的宇宙中，納赫茲引力波來(lái)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(yáng)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(duì)象。開(kāi)辟納赫茲引力波探測(cè)宇宙的新窗口對(duì)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(wèn)題具有重大意義。這也使得發(fā)現(xiàn)納赫茲引力波成為國(guó)際物理和天文領(lǐng)域競(jìng)賽的焦點(diǎn)之一。國(guó)際上，美國(guó)NANOGrav、歐洲EPTA、澳大利亞PPTA，利用各自的大型射電望遠(yuǎn)鏡，已分別開(kāi)展了長(zhǎng)達(dá)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(guó)的CPTA，印度InPTA和南非SAPTA。
脈沖星測(cè)時(shí)陣探測(cè)納赫茲引力波的靈敏度強(qiáng)烈依賴于觀測(cè)時(shí)間跨度——即靈敏度隨著觀測(cè)時(shí)間跨度的增長(zhǎng)而迅速增加。面對(duì)觀測(cè)時(shí)間跨度遠(yuǎn)短于美、歐、澳三個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)的不利局面，CPTA研究團(tuán)隊(duì)充分利用FAST靈敏度高、可監(jiān)測(cè)脈沖星數(shù)目多、測(cè)量精度更高的優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)期系統(tǒng)地監(jiān)測(cè)了一大批毫秒脈沖星，自主開(kāi)發(fā)獨(dú)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(shì)彌補(bǔ)了時(shí)間跨度上的差距，使我國(guó)納赫茲引力波探測(cè)靈敏度很快達(dá)到了與美、歐、澳相當(dāng)?shù)乃?，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)此次重大科學(xué)突破。
不過(guò)，受限于當(dāng)前觀測(cè)數(shù)據(jù)較短的時(shí)間跨度，CPTA團(tuán)隊(duì)暫時(shí)無(wú)法確定納赫茲波段引力波的主要物理來(lái)源，但這將隨著后續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間跨度的增加而解決。由于CPTA現(xiàn)有數(shù)據(jù)時(shí)間跨度較短，所以數(shù)據(jù)時(shí)間跨度增長(zhǎng)帶來(lái)的效果會(huì)更明顯，例如，如果數(shù)據(jù)時(shí)間跨度再增長(zhǎng)3年5個(gè)月，CPTA的數(shù)據(jù)時(shí)間跨度將翻倍，而其他國(guó)際團(tuán)隊(duì)僅增長(zhǎng)不到20%。
中國(guó)科學(xué)院院士蔡榮根表示，下一步，通過(guò)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步積累，一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題是去確定引力波譜指數(shù)，這蘊(yùn)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(cè)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(cè)到宇宙中存在這樣的超大質(zhì)量雙星系統(tǒng)。這對(duì)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(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)將充分發(fā)揮FAST脈沖星測(cè)時(shí)精度國(guó)際領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，加快納赫茲引力波探測(cè)科研攻關(guān)，積累更長(zhǎng)期的觀測(cè)數(shù)據(jù)，逐步發(fā)表更高精度的探測(cè)結(jié)果，打開(kāi)人類利用納赫茲引力波探測(cè)宇宙的新窗口。同時(shí)，國(guó)家天文臺(tái)還將積極推進(jìn)FAST擴(kuò)展和升級(jí)，基于脈沖星測(cè)時(shí)陣列方法，實(shí)現(xiàn)納赫茲引力波事件的常規(guī)觀測(cè)，從而建成納赫茲引力波天文臺(tái)，并開(kāi)啟更高靈敏度和更高分辨率的低頻射電觀測(cè)研究新紀(jì)元，將我國(guó)加快建設(shè)成為引力波天文和射電天文的強(qiáng)國(guó)。
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