又一世界级发现
中国天眼“看到”引力波痕迹
FAST探测到纳赫兹引力波存在的关键证据示意图。国家天文台供图
本报记者 甘晓
在一场始于20年前的国际天文竞赛中，中国科学家率先通过，仅用3年零5个月的时间，成功验证了40年前的理论预测——中国天眼FAST首次通过了对57颗脉冲星的监测”看到了”来自宇宙深处的涟漪。
6月29日，由中国科学院国家天文台（以下简称国家天文台）等单位科研人员组成的中国脉冲星定时阵列（CPTA）研究小组利用FAST探测到了脉冲星定时阵列的关键证据。 “纳赫兹引力波”的存在。 相关论文在线发表在我国天文学术期刊《天文学与天体物理学研究（RAA）》上。 与此同时，来自欧洲的另外三个国际团队——印度、美国、澳大利亚等国家和地区也同步发表了各自独立获得并相互证实的结果。
“人类终于站在了期待已久的纳赫兹引力波观测窗前。” 论文通讯作者、国家天文台/北京大学研究员李克佳及其团队为此感到自豪。 科学装置开展原创性研究，成果发表在中国本土学术期刊上，我国在该领域已与世界同时达到领先水平。”
寻找“纳兹”
爱因斯坦曾在广义相对论中预言，一个加速的质量物体会扰乱周围的时空，产生“涟漪”，这就是引力波。 近一个世纪以来，世界各地的科学家一直试图通过实验观察引力波。
“如果把宇宙比作一杯水，人类所知道、能看到的只是其中的一滴水，宇宙的大部分都是看不见的暗物质和暗能量。” 李克佳介绍，“只有追踪‘物体的运动才能揭示宇宙的奥秘’，我们才有‘品质’。”
引力波有不同的频率和波长，反映不同的天文事件，有不同的探测方法。 例如，2016年，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）首次在实验中直接观测到引力波。 它使用地面激光干涉仪来观测频率较高、波长较短的引力波。 这些引力波是由恒星质量的双黑洞合并产生的。
具有较低频率和较长波长的引力波是由较大质量物体的运动产生的。 作为宇宙中质量最大的天体，星系中心旋转的超大质量双黑洞系统产生的引力波主要集中在“纳赫兹频段”，即十亿分之一赫兹。 在天文学家看来，纳赫兹引力波的探测将有助于了解超大质量黑洞的生长、演化和合并过程。
但由于纳赫兹引力波的频率极低且周期长达数年，探测极具挑战性，世界各地的科学家长期以来都没有发现它的踪迹。
57颗脉冲星，3年零5个月
利用大型射电望远镜对一组自转极为规则的毫秒脉冲星进行长期定时观测，是目前探测纳赫兹引力波的唯一方法。 “超大质量天体运动产生的引力波会扰乱整个时空，也会改变脉冲星到达地球时的时间信号。通过比较这些信号，我们可以判断是否是引力波。” 研究理由。
早在1983年，天文学家就从理论上预测“四极相关信号”是引力波的特征证据。 随着射电天文学的快速发展，基于这一原理寻找纳赫兹引力波逐渐成为科学竞争的焦点之一。
近20年来，北美纳赫兹引力波天文台（）、欧洲脉冲星计时阵列（EPTA）、澳大利亚帕克斯脉冲星计时阵列（PPTA）利用各自的大型射电望远镜开展纳赫兹引力波搜索。 。 近期又增添了中国脉冲星授时阵列、印度脉冲星授时阵列（InPTA）、南非脉冲星授时阵列（SAPTA）等新势力。
利用FAST，中国脉冲星授时阵列研究团队仅用了3年零5个月就实现了这一目标。 围绕57颗脉冲星的相关数据，他们自主开发了独立软件进行数据分析。 最终，在“4.6西格玛置信度”水平上，发现了具有纳赫兹引力波特征的四极相关信号的证据，误报率低于百万分之一，成功验证了40年前的理论预测。
同时，探测到的引力波振幅极小，距离相当于1公里尺度上引力波引起的扰动，大约是氢原子百分之一的大小，时间相当于数千万年规模上1秒的变化。
李克佳表示，由于目前观测数据的时间跨度较短，科研团队暂时无法确定纳赫兹波段引力波的主要物理源，但这一问题将随着后续时间跨度的解决而得到解决。观察数据增加。
组织基础研究
面对观测时间跨度远短于国际团队的不利局面，中国科学家能够取得这一重大突破，离不开管理部门的大力支持、科研团队的全力配合以及长期的努力。科学家们的坚持。
国家天文台台长、中国科学院院士常进总结道：“这一重大科学突破的取得，让我们清醒地认识到前沿科学研究已经进入大科学时代，国际科技进步竞争已向基础研究迈进，基础研究的组织化程度越来越高，目标导向越来越明显，制度化、制度化的科学研究的重要作用越来越凸显。”
据了解，我国于2002年首次开展脉冲星授时阵列前期研究； 2016年生活网报道，中科院启动“多波段引力波宇宙研究”战略先导技术专项（B类），并与多家相关单位合作成立了中国脉冲星定时阵列研究团队； 2019年中国天眼FAST科学委员会成立后，将继续加速纳赫兹引力波探测协作研究。 同时，科技部、国家自然科学基金委也部署了相关科研项目。
在纳赫兹引力波探测过程中，科研团队一方面不断提高FAST对脉冲星的观测精度，另一方面加速数据处理方法的创新，以优势弥补时间跨度数据精度、脉冲星数和数据处理算法。 尺寸上的差距使得我国纳赫兹引力波探测灵敏度快速提升。
一批“80后”“90后”青年科学家也在这项研究中逐渐成长起来。 作为中国脉冲星计时阵列的负责人，80后的李克佳于2003年加入这个领域，经过20年的坚持，他终于实现了自己的梦想。
“日复一日、年复一年的数据处理过程确实有点无聊，但当你始终认为自己所做的事情很重要时，你就会永远有信念。” 论文第一作者、国家天文台助理研究员、“90后”徐恒说。
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