納赫茲引力波探測極具挑戰性

中科院國家天文臺介紹說，納赫茲引力波由于頻率極低、周期長達數年，其波長可達數光年，對其探測十分具有挑戰性。利用大型射電望遠鏡對一批自轉極其規律的毫秒脈沖星進行長期測時觀測，是納赫茲引力波目前所知的唯一探測手段，發現納赫茲引力波也是國際物理和天文領域競賽的焦點之一。

在此次研究中，CPTA團隊利用FAST對57顆毫秒脈沖星進行長期系統性監測，并將這些毫秒脈沖星組成銀河系尺度大小的引力波探測器來搜尋納赫茲引力波。該團隊基于獨立開發的軟件，對 FAST收集的時間跨度為3年5個月的數據進行分析研究，在4.6西格瑪置信度水平(誤報率小于五十萬分之一)上發現具有納赫茲引力波特征的四極相關信號的證據。

中科院理論物理研究所所長蔡榮根院士指出，這次CTPA團隊利用FAST測量到引力波信號的關鍵證據，結果與超大質量雙黑洞系統的理論預期一致。下一步通過數據的進一步積累，一個關鍵的問題是去確定引力波的譜指數，這蘊含著引力波源的豐富物理。

北京大學何子山教授認為，產生納赫茲引力波是超大質量黑洞并合的獨有預言，這個期待已久的預言，最近終于被CPTA通過利用FAST找到了觀測證據。它不僅對星系演化和超大質量黑洞研究的廣泛領域具有深遠影響，而且為引力波天體物理學打開一個全新的窗口。

FAST將拓展建成納赫茲引力波天文臺

脈沖星測時陣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。CPTA團隊面對觀測時間跨度遠短于美國、歐洲、澳大利亞三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，長期系統地監測了一大批毫秒脈沖星，并自主開發獨立數據分析軟件，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，使中國納赫茲引力波探測靈敏度很快達到與美、歐、澳相當的水平，從而同步實現此次重大科學突破。不過，受限于當前觀測數據較短的時間跨度，CPTA團隊暫時無法確定納赫茲波段引力波的主要物理來源，但這將隨著后續觀測數據時間跨度的增加而解決。

中科院國家天文臺表示，后續將充分發揮FAST脈沖星測時精度國際領先優勢，加快納赫茲引力波探測科研攻關，積累更長期的觀測數據，逐步發表更高精度的探測結果，打開人類利用納赫茲引力波探測宇宙的新窗口。

同時，該臺還將積極推進FAST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，將中國加快建設成為引力波天文和射電天文強國。

前瞻布局為引力波探測奠定基礎

中國最早在2002年開展初步的脈沖星測時陣前期調研。2016年6月，中科院對納赫茲引力波探測研究進行前瞻、戰略和系統布局，部署“多波段引力波宇宙研究”戰略性先導科技專項(B類)，中科院國家天文臺聯合北京大學和中科院新疆天文臺、云南天文臺、上海天文臺、國家授時中心以及廣州大學等組建CPTA研究團隊，為利用FAST探測納赫茲引力波開展科學和技術預研。

2019年6月，FAST科學委員會成立，進一步凝練原創突破目標，整合全國最優秀青年科技力量，依托FAST組織開展體系化、建制化科研攻關，通過遴選評議設立中國脈沖星測時陣列優先和重大項目、提供觀測時間，加快開展納赫茲引力波探測協同攻關。由于觀測數據積累的時間跨度對探測納赫茲引力波非常重要，為盡早開始積累觀測數據，當年9月，FAST還處于調試階段，CPTA團隊就聯合FAST調試工作組開始試觀測，盡可能早地為探測納赫茲引力波積累觀測數據。

與此同時，2020年科技部通過平方公里陣列射電望遠鏡(SKA)專項部署“脈沖星測時和檢驗引力理論”科研任務，利用FAST等國內射電望遠鏡組成望遠鏡陣列，開展陣列望遠鏡脈沖星測時和納赫茲引力波探測的預先研究。2020年國家自然科學基金委員會通過FAST專項重點部署“基于FAST的脈沖星前沿物理問題研究”，開展脈沖星物理特性和測時噪聲研究，進一步提高脈沖星測時精度。

在國際上，美國、歐洲、澳大利亞利用各自大型射電望遠鏡，已分別開展長達20年的納赫茲引力波搜尋，近期包括中國、印度、南非等新生力量也逐漸加入引力波探測領域，在中國最新發布“中國天眼”探測到納赫茲引力波存在關鍵證據的同時，國際上其他脈沖星測時陣列合作組，也分別宣布相類似的結果。

中科院國家天文臺10年來全力做好 FAST建設調試、開放運行和科學研究工作，已取得一系列具有國際影響力的重大成果。未來，CPTA團隊將推進國際脈沖星測時陣列合作，期待脈沖星測時陣列將很快為人類探索宇宙打開納赫茲引力波觀測新窗口。(完)