中國天眼是怎么探測到引力波的

　　中國天眼FAST（500米口徑球面射電望遠鏡）又立一功！近日，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（CPTA）研究團隊利用中國天眼FAST，探測到納赫茲引力波存在的關鍵性證據，表明我國納赫茲引力波研究已與國際同步達到領先水平。相關論文在線發表于我國天文學術期刊《天文與天體物理研究（RAA）》上。

　　人類終于站在了期盼已久的納赫茲引力波宇宙觀測窗口前。那么，FAST是怎么探測到引力波的？納赫茲引力波探測與獲得2017年諾貝爾獎的引力波探測有何不同？此次研究成果有什么重大意義？我們今天就來詳細了解。

　　“時空的漣漪”助尋宇宙暗物質

　　想知道引力波為何物，得先從一百多年前說起。

　　1915年，愛因斯坦發表了廣義相對論，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。簡言之，廣義相對論里的引力不是“力”，是時空的一種彎曲效果。

　　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生彎曲。如果宇宙中有質量的物體發生劇烈的加速運動，如超新星爆發、兩個巨大星體發生碰撞、兩個致密星體并合（中子星與黑洞這類星體的碰撞與并合），就像是往平靜的水面扔進了石頭，讓時空本身泛起“漣漪”。“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。

　　宇宙中發光的物質非常少，大部分（95%左右）都是真正的、永恒的“黑暗”——暗物質和暗能量，不管造多么先進的望遠鏡，這些“黑暗”人類都看不到。而引力波給人類提供了一種探索宇宙的新方式，讓我們知道在看不到的宇宙空間里發生了什么。

　　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，我們就能夠捕捉到“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生了并合。在以前，人類能知道這個過程，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。通過對引力波的探測，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。

　　探測引力波需要不同的“尺子”

　　探測引力波的基本原理是“引力波所經過的區域，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，與之垂直的平面會處于不斷伸縮的狀態：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。一旦探測出這種形變，就能說明觀測到了引力波。

　　也許有人會問，美國科學家不是已經借助LIGO（激光干涉引力波天文臺）探測到引力波，還獲得諾貝爾獎了嗎？為什么還需要其他裝置（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，波長就越長，所以承擔測量功能的“尺子”也越長。

　　頻率在10-1000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，通過前文提到的激光干涉引力波天文臺可以探測到，它的“尺子”是兩條相互垂直、長度達4公里的管道，激光在管道中穿行。具體來說，在引力波的影響下，激光走過的“路途”長度會發生規律性的變化，而激光干涉儀能把引力波導致的長度變化，轉變為激光干涉結果的光強變化，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”可長達數百萬公里，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的）。歐洲的LISA計劃和中國的太極計劃、天琴計劃等空間引力波探測裝置，都是用衛星組成干涉儀網絡進行長距離干涉測量的。

　　那么，想要探測到宇宙中更遠處由超大質量雙黑洞、宇宙弦引發的更低頻率引力波（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是利用大型射電望遠鏡觀測宇宙中的脈沖星，很多人可能無法想象，中國天眼FAST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。至于極低頻段（10-16赫茲）的引力波探測，就要利用宇宙微波背景輻射了，比如南極BICEP2、西藏阿里觀測項目等。

　　所以，各種探測裝置分別探測不同的引力波信號，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，可以觀測更深遠的宇宙，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。

　　當前，想要探測納赫茲引力波，必須利用脈沖星，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，它的自轉很穩定，每隔固定的時間就會發出一個脈沖信號。如果不受其他因素影響，那么我們在地球上就能穩定地收到這種信號。

　　脈沖星的脈沖到達地球的時間極其規律，而引力波所經過的區域，空間的相對長度會被周期性地拉伸和收縮，這自然催生了一種設想：如果一列引力波經過了地球和脈沖星中間的區域，那么脈沖星發出的信號就會發生改變，從而改變該信號到達地球的時間。這樣一來就很好理解了，只要觀測到這種脈沖信號到達地球時間的變化，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？因為僅憑一顆脈沖星，我們不知道探測到的信號是引力波、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分引力波和噪聲。如果發現多顆脈沖星同時發生某種規律性變化，就可以證明探測到引力波了。其中，利用大型射電望遠鏡對一批自轉極其穩定的毫秒脈沖星進行長期測時觀測，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，在國際上是一個競爭激烈的領域，相關思想早在1983年便已提出。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），以及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）。

　　但是，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年的信號給找出來。

　　在此次中國天眼FAST探測到納赫茲引力波存在的關鍵性證據之前，國際上還沒有一個團組得到過確切的探測結果。

　　“天眼”拿到了什么關鍵證據

　　2016年6月，中國科學院啟動了納赫茲引力波預研究，聯合北京大學、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、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，中國天眼FAST開展了試觀測，由此拉開了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強烈依賴于觀測時間跨度，即靈敏度隨著觀測時間跨度的增長而迅速增加。

　　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，中國脈沖星測時陣列研究團隊雖然是“后來者”，但以數據精度、脈沖星數量和數據處理算法上的優勢，彌補了時間跨度上的差距。

　　中國天眼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，已發現740余顆新脈沖星。中國脈沖星測時陣列研究團隊面對觀測時間跨度遠短于美、歐、澳3個國際團隊的不利局面，充分利用FAST靈敏度高、可監測脈沖星數目多、測量精度更高的優勢，長期系統地監測了57顆毫秒脈沖星，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器，來搜尋納赫茲引力波。團隊自主開發獨立數據分析軟件，對中國天眼FAST收集的時間跨度3年5個月的數據進行分析研究，發現了具有納赫茲引力波特征的四極相關信號的證據。

　　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公里尺度引力波引起的擾動約為百分之一個氫原子大小；在時間上，千萬年尺度上才變化1秒。也就是說，對納赫茲引力波的探測，是在挑戰人類精密測量的極限。

　　本次關鍵性證據由4個國際團隊分別獨立獲得、獨立發表、相互印證，說明我國納赫茲引力波探測靈敏度達到了與美、歐、澳相當的水平，從而同時實現此次重大科學突破。

　　中國脈沖星測時陣列研究團隊暫時無法確定納赫茲波段引力波的主要物理來源，其他國際團隊也無法確定。不過，這個問題將隨著中國天眼FAST后續觀測數據時間跨度的增加得到解決。由于中國脈沖星測時陣列研究團隊現有數據時間跨度較短，所以數據時間跨度增長帶來的效果會更明顯，例如，如果數據時間跨度再增長3年5個月，中國脈沖星測時陣列研究團隊的數據時間跨度將翻倍，而其他國際團隊僅增長不到20%。

　　未來將建成納赫茲引力波天文臺

　　作為目前世界上最大、最靈敏的單口徑射電望遠鏡，中國天眼FAST將讓中國在射電天文領域領先世界20年。從跟跑到領跑，這背后，是中國不斷崛起的科技力量。

　　未來我們還將看到中國天眼FAST進行擴展和升級，基于脈沖星測時陣列方法實現納赫茲引力波事件的常規觀測，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。

　　2003年6月29日，一個中國的博士生前往澳洲，在那里開始了他利用脈沖星探測引力波的科研生涯。20年后的今天，當年的博士生已經成為中國脈沖星測時陣列研究團隊的領軍人物，利用中國天眼FAST發現了納赫茲引力波存在的關鍵性證據，他就是李柯伽研究員。他的經歷也許又一次印證了那句話：“FAST最大的意義是把人類的視野向前擴展了一大步，也讓中國的天文學家第一次站在了人類視野的最前沿。”

　　沒有人知道中國天眼FAST還能給天文學理論帶來怎樣的貢獻，但可以確定的是，它一定會有更多貢獻。