張文滔

2023 年6 月， 由中國科學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，達到領先水平。

FAST 的故事我們已經聽得太多，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

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，引力是時空彎曲產生的結果——時空告訴物質如何運動，物質告訴時空如何彎曲。

我們可以把時空想象成平靜的水面，有質量的物體能讓時空本身發(fā)生彎曲。如果宇宙中有質量的物體發(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于引力本質的線索，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)光的物質非常少，大部分（約95%）都是真正的、永恒的“黑暗”——暗物質和暗能量，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，對物理學也有重要意義。通過對它的探測，可以檢驗目前的引力理論，檢驗人類對時間和空間的基本認知是否正確。

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。空間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）不是已經探測到引力波，還幫助做出此貢獻的科學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致的長度變化轉變?yōu)榧す飧缮娼Y果的光強變化，因此，可以通過測量激光干涉結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、大質量黑洞俘獲致密星產生）。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，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，將有助于天文學家理解宇宙結構的起源，探測宇宙中最大質量的天體即超大質量黑洞的增長、演化及并合過程，也有助于物理學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，準確地說，是一群脈沖星。

脈沖星是一類磁場強且高速自轉的中子星，它的自轉很穩(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的方法，來尋找相關信號，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極其穩(wěn)定的毫秒脈沖星（每秒自轉數(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域，相關思想早在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果。

3 年5 個月，F(xiàn)AST 拿到了關鍵證據(jù)

2 0 1 6年6月， 中國科學院啟動了納赫茲引力波預研究，聯(lián)合北京大學，中國科學院新疆天文臺、云南天文臺、上海天文臺，國家授時中心及廣州大學等多家相關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?shù)乃剑瑥亩瑫r實現(xiàn)了此次重大科學突破。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域領先20年。從跟跑到領跑，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元。

本文轉自微信公眾號“中國國家天文”