追蹤到引力波！中國(guó)天眼再獲世界級(jí)發(fā)現(xiàn)

再獲世界級(jí)發(fā)現(xiàn)，中國(guó)天眼“看見”引力波蹤影！

據(jù)中國(guó)科學(xué)報(bào)，在一場(chǎng)20年前就開始的國(guó)際天文競(jìng)賽中，中國(guó)科學(xué)家后發(fā)先至，僅用3年5個(gè)月就成功驗(yàn)證40年前的理論預(yù)言——中國(guó)天眼FAST通過對(duì)57顆脈沖星的監(jiān)測(cè)，首次“看見”了來自深遠(yuǎn)宇宙的漣漪。

6月29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FAST探測(cè)到“納赫茲引力波”存在的關(guān)鍵證據(jù)。相關(guān)論文在我國(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)，來自歐洲-印度、美國(guó)、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。

(相關(guān)資料圖)

“人類終于站在了期盼已久的納赫茲引力波觀測(cè)窗口前。”論文通訊作者、國(guó)家天文臺(tái)/北京大學(xué)研究員李柯伽和團(tuán)隊(duì)為此感到自豪，“我們利用中國(guó)自主設(shè)計(jì)和建造的大科學(xué)裝置開展原創(chuàng)性研究，成果發(fā)表在中國(guó)本土的學(xué)術(shù)期刊上，我國(guó)在這一領(lǐng)域與國(guó)際同步達(dá)到領(lǐng)先水平。”

納赫茲引力波是引力波的一種，是宇宙中一種極低頻擾動(dòng)，其頻率為10的負(fù)9次方赫茲。納赫茲引力波由于頻率極低、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。

據(jù)央視新聞，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)常進(jìn)指出，納赫茲引力波主要是為人類打開了觀測(cè)宇宙的一個(gè)重要“窗口”，肯定會(huì)有許多物理上的重大發(fā)現(xiàn)。用納赫茲引力波，科研人員可以研究宇宙的超大質(zhì)量天體，像黑洞、超大質(zhì)量黑洞，星系的形成、演化、合并，還有宇宙早期的結(jié)構(gòu)等。這些都是天體物理的重大科學(xué)問題。

利用類似于我國(guó)的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST這種大型射電望遠(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)，是納赫茲引力波目前已知的唯一探測(cè)手段。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、北京大學(xué)研究員李柯伽介紹，實(shí)際上真正的引力波探測(cè)器是那些脈沖星，科研人員用大型的望遠(yuǎn)鏡就是去讀這些脈沖星的信號(hào)，把這些脈沖星作為一個(gè)非常標(biāo)準(zhǔn)的“鐘”在用，讀這些“鐘”的信號(hào)，來獲取時(shí)間，來判斷空間怎么樣受到了引力波的影響。

超大質(zhì)量黑洞并合“獨(dú)有預(yù)言”終于實(shí)現(xiàn)

據(jù)文匯報(bào)，自2016年引力波發(fā)現(xiàn)以來，目前全球范圍內(nèi)的引力波探測(cè)有地面引力波、空間引力波、納赫茲引力波和極低頻引力波4個(gè)主要頻段，它們分別對(duì)應(yīng)不同的物理過程，探測(cè)方式也不一樣。

在由無數(shù)恒星、星系組成的宇宙中，星系并合不時(shí)發(fā)生。大多數(shù)星系都有超大質(zhì)量黑洞，它們是宇宙中質(zhì)量最大的天體，其質(zhì)量是太陽(yáng)的上億到千億倍。天文學(xué)家預(yù)測(cè)，當(dāng)星系并合時(shí)，這些黑洞也會(huì)并合，它們相互繞轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的引力波主要集中在納赫茲頻段（10的-9次方赫茲）。

“產(chǎn)生納赫茲引力波，是超大質(zhì)量黑洞并合的獨(dú)有預(yù)言。然而，預(yù)言誕生幾十年，至今未有確鑿的雙超大質(zhì)量黑洞并合的例子。”北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所教授何子山向CPTA團(tuán)隊(duì)表示祝賀，“這次，CPTA終于實(shí)現(xiàn)了這個(gè)期待已久的預(yù)言”，在這一物理學(xué)與天文學(xué)領(lǐng)域的國(guó)際激烈競(jìng)爭(zhēng)中拔得頭籌。

在這個(gè)領(lǐng)域，北美洲納赫茲引力波天文臺(tái)（NANOGrav）、歐洲脈沖星測(cè)時(shí)陣列（EPTA）、澳大利亞帕克斯脈沖星測(cè)時(shí)陣列（PPTA）早在20年前就開始了觀測(cè)積累。而印度脈沖星測(cè)時(shí)陣列（InPTA）、南非脈沖星測(cè)時(shí)陣列（SAPTA）和CPTA則在近期才加入。

這次，CPTA團(tuán)隊(duì)發(fā)布的結(jié)果置信度為4.6σ（西格瑪），距離國(guó)際公認(rèn)的探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)5σ還略有差距。“目前我們暫時(shí)還不能確認(rèn)納赫茲引力波的天體源頭。” CPTA負(fù)責(zé)人、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)與北京大學(xué)天文系雙聘研究員李柯伽告訴記者，只要再經(jīng)過一段時(shí)間，進(jìn)一步拉長(zhǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度，應(yīng)該就能確認(rèn)納赫茲引力波的天體源頭。

研究納赫茲引力波對(duì)人類探索宇宙意義深遠(yuǎn)

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)生的時(shí)空漣漪，其信號(hào)極其微弱，卻是探測(cè)宇宙中不發(fā)光物質(zhì)的直接手段，探測(cè)引力波并且開辟引力波觀測(cè)宇宙的新窗口是天文學(xué)家長(zhǎng)期以來追求的目標(biāo)，并且對(duì)人類探索宇宙意義深遠(yuǎn)。

1916年，愛因斯坦基于廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在。2016年，美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)宣布在百赫茲頻段探測(cè)到恒星級(jí)質(zhì)量雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波，并因此獲得了2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。更大質(zhì)量的天體產(chǎn)生的引力波頻率更低。例如，宇宙中質(zhì)量最大的天體，星系中心的超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)繞轉(zhuǎn)產(chǎn)生的引力波主要集中在納赫茲頻段。在這個(gè)頻段內(nèi)，甚至還有宇宙早期原初引力波殘存至今的部分和宇宙弦產(chǎn)生的引力波。

幾十年來，各國(guó)天文學(xué)家一直在為探測(cè)神秘的引力波而努力。發(fā)現(xiàn)納赫茲引力波更是國(guó)際物理和天文領(lǐng)域競(jìng)賽的焦點(diǎn)之一。美國(guó)、歐洲、澳大利亞，利用各自的大型射電望遠(yuǎn)鏡，已分別開展了長(zhǎng)達(dá)20年的納赫茲引力波搜尋。近年來，中國(guó)、印度、南非等國(guó)也逐漸開展納赫茲引力波的探測(cè)研究。中國(guó)科學(xué)院于2016年6月部署了“多波段引力波宇宙研究”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，2019年9月，中國(guó)天眼FAST還處于調(diào)試階段，中國(guó)脈沖星測(cè)時(shí)陣列研究團(tuán)隊(duì)就聯(lián)合FAST調(diào)試工作組開始試觀測(cè)，盡可能早地為探測(cè)納赫茲引力波積累觀測(cè)數(shù)據(jù)。

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)常進(jìn)說，他們將進(jìn)一步圍繞納赫茲引力波，開辟納赫茲引力波天文學(xué)這個(gè)新的科學(xué)方向，并繼續(xù)保持我國(guó)在低頻射電天文學(xué)方面的國(guó)際領(lǐng)先地位。

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