中国天眼FAST纳赫兹引力波搜寻研究取得重大突破

近日，由中国科学院国家天文台等单位科研人员组成的中国脉冲星测时阵列（CPTA）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性证据，表明我国纳赫兹引力波研究与国际同步达到领先水平。相关论文在我国天文学术期刊《天文与天体物理学研究（RAA）》在线发表。 　　

纳赫兹引力波是引力波的一种，而引力波是由加速运动的有质量物体扰动周围的时空而产生时空的涟漪。对频率低至纳赫兹的引力波进行探测，将有助于天文学家理解宇宙结构的起源，探测宇宙中最大质量的天体即超大质量黑洞的增长、演化及并合过程；也有助于物理学家洞察时空的基本物理原理。 　　

在此次研究中，CPTA团队利用FAST对57颗毫秒脉冲星进行了长期系统性监测，并将这些毫秒脉冲星组成了银河系尺度大小的引力波探测器来搜寻纳赫兹引力波。该团队基于独立开发的软件，对 FAST收集的时间跨度3年5个月的数据进行分析研究，在4.6西格玛置信度水平（误报率小于五十万分之一）上发现了具有纳赫兹引力波特征的四极相关信号的证据。 　　

引力波信号极其微弱，却是探测宇宙中不发光物质的直接手段，探测引力波并且开辟引力波观测宇宙的新窗口是天文学家长期以来追求的目标。20世纪70-80年代，引力波的存在通过观测脉冲双星系统的轨道变化得以间接证实，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（简称LIGO）宣布在百赫兹频段探测到恒星级质量双黑洞并合产生的引力波，并因此获得了2017年诺贝尔物理学奖。更大质量的天体产生的引力波频率更低。例如，宇宙中质量最大的天体，星系中心的超大质量双黑洞系统（亿到千亿倍太阳质量）系统绕转产生的引力波主要集中在纳赫兹频段，相应的信号时标为年到几十年。在这个频段内，还有宇宙早期原初引力波残存至今的部分和宇宙弦等奇异对象产生的引力波。 　　

开辟纳赫兹引力波探测宇宙的新窗口对于理解超大质量黑洞、星系并合历史、宇宙大尺度结构形成等问题具有重大意义。纳赫兹引力波由于频率极低、周期长达数年，其波长可达数光年，对它的探测十分具有挑战性。利用大型射电望远镜对一批自转极其规律的毫秒脉冲星进行长期测时观测，是纳赫兹引力波目前已知的唯一探测手段。发现纳赫兹引力波是国际物理和天文领域竞赛的焦点之一。国际上，美国NANOGrav、欧洲EPTA、澳大利亚PPTA，利用各自的大型射电望远镜，已分别开展了长达20年的纳赫兹引力波搜寻。近几年，印度脉冲星测时阵列（InPTA）和南非脉冲星测时阵列（SAPTA）也加入了这一激烈的竞争。中国脉冲星测时阵列（CPTA）于2019年开始依托FAST进行纳赫兹引力波探测。 　　

脉冲星测时阵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长而迅速增加。CPTA研究团队面对观测时间跨度远短于美、欧、澳三个国际团队的不利局面，充分利用FAST灵敏度高、可监测脉冲星数目多、测量精度更高的优势，长期系统地监测了一大批毫秒脉冲星，自主开发独立数据分析软件，以数据精度、脉冲星数量和数据处理算法上的优势弥补了时间跨度上的差距，使我国纳赫兹引力波探测灵敏度很快达到了与美、欧、澳相当的水平，从而同时实现此次重大科学突破。不过，受限于当前观测数据较短的时间跨度，CPTA团队暂时无法确定纳赫兹波段引力波的主要物理来源，但这将随着后续观测数据时间跨度的增加而解决。由于CPTA现有数据时间跨度较短，所以数据时间跨度增长带来的效果会更明显，例如，如果数据时间跨度再增长3年5个月，CPTA的数据时间跨度将翻倍，而其他国际团队仅增长不到20%。 　　

我国最早在2002年开展了初步的脉冲星测时阵前期调研。2016年6月，中国科学院对纳赫兹引力波探测研究进行了前瞻、战略和系统布局， 部署了“多波段引力波宇宙研究”战略性先导科技专项（B类），联合国内北京大学、中国科学院新疆天文台、云南天文台、上海天文台，国家授时中心、广州大学等多家相关单位组建了中国脉冲星测时阵列研究团队，为利用FAST探测纳赫兹引力波开展科学和技术预研。2019年6月成立FAST科学委员会，进一步凝练原创突破目标，整合全国最优秀青年科技力量，依托FAST组织开展体系化、建制化科研攻关，通过遴选评议设立了中国脉冲星测时阵列优先和重大项目、提供观测时间，加快开展纳赫兹引力波探测协同攻关。由于观测数据积累的时间跨度对探测纳赫兹引力波非常重要，为尽早开始积累观测数据，2019年9月，FAST还处于调试阶段，CPTA团队就联合FAST调试工作组开始试观测，尽可能早地为探测纳赫兹引力波积累观测数据。此外，2020年科技部通过平方公里阵列射电望远镜（SKA）专项部署了“脉冲星测时和检验引力理论”科研任务，利用FAST等国内射电望远镜组成望远镜阵列，开展阵列望远镜脉冲星测时和纳赫兹引力波探测的预先研究。2020年国家自然科学基金委通过FAST专项重点群部署了“基于FAST的脉冲星前沿物理问题研究”，开展脉冲星物理特性和测时噪声研究，进一步提高脉冲星测时精度。 　　

后续，中国科学院国家天文台将充分发挥FAST脉冲星测时精度国际领先优势，加快纳赫兹引力波探测科研攻关，积累更长期的观测数据，逐步发表更高精度的探测结果，彻底打开人类利用纳赫兹引力波探测宇宙的新窗口。国家天文台还将积极推进FAST扩展和升级，基于脉冲星测时阵列方法，实现纳赫兹引力波事件的常规观测，从而建成纳赫兹引力波天文台，并开启更高灵敏度和更高分辨率的低频射电观测研究新纪元，将我国加快建设成为引力波天文和射电天文的强国。 　　

国际上，其他脉冲星测时阵列合作组，包括欧洲EPTA-印度InPTA、北美NANOGRAV和澳大利亚PPTA也将和国家天文台同一天宣布相类似的结果。NANOGRAV、EPTA-InPTA、PPTA数据积累时间为15~25年，CPTA为3年5个月；具有纳赫兹引力波特征的四极相关信号的置信度，其他3个团队最高为4σ（σ为观测结果的置信度，数值越大置信度越高），而CPTA为4.6σ。未来，这些区域性合作将推进国际脉冲星测时阵列合作，期待脉冲星测时阵列将很快为人类探索宇宙打开纳赫兹引力波观测新窗口。