关于引力波，中国天眼有重磅发现

张文滔

2023 年6 月， 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（Chinese PulsarTiming Array，简写为CPTA）研究团队利用中国天眼（500米口径球面射电望远镜，Five-hundred-meter ApertureSpherical radio Telescope，简写为FAST），探测到纳赫兹引力波存在的关键性证据，表明中国纳赫兹引力波研究与国际同步，达到领先水平。

FAST 的故事我们已经听得太多，如快速射电暴、中性氢、脉冲星……它与引力波的故事还是第一次听到。那么，它是怎样探测引力波的？纳赫兹引力波探测与2017 年的引力波探测有什么不同？让我们先从100 多年前说起吧。

时空的涟漪，帮助我们探寻不可见的物质

1915年，爱因斯坦发表了广义相对论，这个全新的理论告诉我们，引力是时空弯曲产生的结果——时空告诉物质如何运动，物质告诉时空如何弯曲。

我们可以把时空想象成平静的水面，有质量的物体能让时空本身发生弯曲。如果宇宙中有质量的物体发生剧烈的加速运动（例如超新星爆发、两个巨大的星体发生碰撞、两个致密星体并合等），就像往水里扔了一块石头，让时空本身也泛起“涟漪”。这些“涟漪”携带着波源天体激烈动荡的信息和关于引力本质的线索，以光速向远处传播。这种时空“涟漪”就是引力波。

引力波给我们提供了探索宇宙的新方式，让我们知道在看不到的宇宙空间里发生了什么。

宇宙中发光的物质非常少，大部分（约95%）都是真正的、永恒的“黑暗”——暗物质和暗能量，不管造多强、多好的望远镜，这些“黑暗”我们都“看不到”。

不过，引力波可以直接跟踪宇宙中有质量物体的运动（不管是否可见），利用引力波观测，我们能够捕捉到“黑暗”的蛛丝马迹。比如，2015年，人类第一次探测到的引力波GW150914，就是距离地球10亿光年之外的一个遥远星系中两个恒星级黑洞发生了并合。人类能知道这个过程，这在以前是不可想象的。

引力波不但大大扩展了我们对宇宙的感知，对物理学也有重要意义。通过对它的探测，可以检验目前的引力理论，检验人类对时间和空间的基本认知是否正确。

探测不同的引力波，需要不同的“尺子”

探测引力波的基本原理是：引力波经过的区域，空间的长度会被周期性地拉伸和收缩。换言之，引力波经过时，与之垂直的平面就会处于不断伸缩的状态：横向收缩，纵向就拉伸；横向拉伸，纵向就收缩。空间本身的形变会让置身其中的物体也跟着形变。探测出这种形变，就能说明我们观测到了引力波。

也许有人会问，美国的激光干涉引力波天文台（LaserInterferometer Gravitational-Wave Observatory，简写为LIGO）不是已经探测到引力波，还帮助做出此贡献的科学家拿到了诺贝尔奖吗？为什么还需要其他装置（比如FAST）来探测呢？答案是：不同的天文事件会产生不同频率的引力波，需要不同的“尺子”来测量。引力波的频率越低，其波长越长，需要的“尺子”就越长。对越长的波长更敏感，也就是对越低的频率更敏感。

频率在10～1000赫（百赫兹）波段的引力波由恒星级双黑洞、双中子星并合产生，这些波源离地球相对较近，LIGO 可以探测到。它的“尺子”是两条相互垂直、长度达4千米的管道，激光在管道中穿行。在引力波的影响下，这条光线路径的等效长度会发生规律性的变化。激光干涉仪能够把引力波导致的长度变化转变为激光干涉结果的光强变化，因此，可以通过测量激光干涉结果的变化来捕捉引力波。

把同样原理的激光干涉装置放到天上，“尺子”就可以长达数百万千米，捕捉毫赫兹频段的引力波（由双星绕转、大质量黑洞俘获致密星产生）。欧洲的LISA 计划，中国的太极计划、天琴计划等空间引力波探测装置，都是用卫星组成激光干涉仪网络，进行长距离的干涉测量。

要想探测到宇宙中更远的由超大质量双黑洞、宇宙弦引发的更低频率的引力波（也就是周期在年量级的纳赫兹引力波），就需要更长的“尺子”了。目前，已知的唯一探测手段为利用大型射电望远镜观测宇宙中的脉冲星，FAST 探测引力波时利用的脉冲星测时阵列其实有银河系那么大。

极低频段（10赫）的引力波探测就要利用宇宙微波背景辐射了，比如南极BICEP2、西藏阿里观测项目。

所以说，各种探测装置分别示踪一系列不同频率的引力波信号，彼此互为补充，不能相互替代。

探测纳赫兹引力波有多难

对频率低至纳赫兹的引力波进行探测，可以观测真正深远的宇宙，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。

探测纳赫兹引力波需要利用脉冲星，准确地说，是一群脉冲星。

脉冲星是一类磁场强且高速自转的中子星，它的自转很稳定，每隔固定的时间就发出一个脉冲信号。如果不受其他因素影响，那么我们在地球上就能稳定地收到这种信号。

脉冲星的脉冲到达地球的时间极其规律，而引力波经过的区域，空间的相对长度会被周期性地拉伸和收缩。这自然地催生了一种想法：如果一列引力波经过了地球和脉冲星中间的区域，那么脉冲星的信号就会发生改变，从而改变脉冲到达的时间。观测到这种脉冲到达时间的变化，也就等于探测到了引力波。这就是利用脉冲星测时（PTA）探测引力波的基本原理。

为什么不能只观测一颗脉冲星来探测引力波呢？因为对一颗脉冲星而言，我们不知道探测的信号是引力波、脉冲星噪声，还是其他的假信号，必須利用多颗脉冲星相关的方法，来寻找相关信号，以区分引力波和噪声。

如果我们发现多颗脉冲星同时发生某种规律性变化，就可以说探测到引力波了。利用大型射电望远镜对一批自转极其稳定的毫秒脉冲星（每秒自转数百次，周期极其稳定，其测时精度可媲美地球上最好的原子钟）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。

纳赫兹引力波探测，是一个国际上竞争激烈的领域，相关思想早在1983年便被提出。国际上的探测团组有北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）、欧洲脉冲星测时阵列（EPTA）、澳洲帕克斯脉冲星测时阵列（PPTA）、印度脉冲星测时阵列（InPTA）、南非脉冲星测时阵列（SAPTA）和中国脉冲星测时阵列（CPTA）。

由于纳赫兹引力波引起的时空改变非常微弱，引力波的周期也达到了年量级（时空的改变以年度为单位）。对它的探测在物理尺度和时间尺度上都很“大”，不但需要造银河系尺度的探测器（脉冲星测时阵列），还需要观测很长时间，才能把时间周期长达数年的信号给找出来。

在FAST 探测到纳赫兹引力波存在的关键性证据之前，世界上还没有一个团组得到过确切的探测结果。

3 年5 个月，FAST 拿到了关键证据

2 0 1 6年6月， 中国科学院启动了纳赫兹引力波预研究，联合北京大学，中国科学院新疆天文台、云南天文台、上海天文台，国家授时中心及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。2019年上半年，FAST 开展了试观测，由此拉开了CPTA 团队探测纳赫兹引力波的序幕。

不过，脉冲星测时阵列探测纳赫兹引力波的灵敏度高度依赖观测时间跨度——即灵敏度随着观测时间的增长而迅速增加。

NANOGrav、EPTA、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。在这个领域，CPTA 团队是实实在在的“后来者”。那么，他们的优势在哪里？

CPTA 团队以数据精度、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。FAST是目前全球最大且最灵敏的射电望远镜，也是全球搜寻脉冲星效率最高的射电望远镜。截至目前，FAST 已发现740余颗新脉冲星。

CPTA 研究团队面对观测时间跨度远短于其他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，长期系统地监测着57颗毫秒脉冲星，并将这些毫秒脉冲星组成银河系尺度的引力波探测器阵列，用以搜寻纳赫兹引力波。

CPTA 团队自主开发独立数据分析软件，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1/500 000）上发现了具有纳赫兹引力波特征的四极相关信号的证据。

本次测量到的引力波特征幅度很小，约为4×10-15，这意味着它造成的时空改变极其微弱：在距离上，1千米尺度引力波引起的扰动约为氢原子直径的1/100；在时间上，千万年尺度上才变化1秒。对纳赫兹引力波的探测，也是在挑战人类精密测量的极限。

本次关键性证据由4个国际团队分别独立获得、独立发表、相互印证，说明中国纳赫兹引力波探测的灵敏度很快达到了与美、欧、澳相当的水平，从而同时实现了此次重大科学突破。人类终于站在了期盼已久的纳赫兹引力波宇宙观测的窗口前。

不過，CPTA暂时无法确定纳赫兹引力波的主要物理来源（其他国际团队也无法确定）。这将随着FAST 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，其他国际团队则增长不到20%。

未来还要做什么

FAST 是目前世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜，它将使中国在射电天文领域领先20年。从跟跑到领跑，这背后，是中国不断崛起的科技力量。未来，我们还将看到FAST 进行扩展和升级，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。

本文转自微信公众号“中国国家天文”