近日，由中國科學院國家天文台等機關科研人員組成的中國脈沖星測時陣列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，表明大陸納赫茲引力波研究與國際同步達到領先水準。相關論文在大陸天文學術期刊《天文與天體實體研究（RAA）》線上發表。
納赫茲引力波是引力波的一種
根據愛因斯坦的廣義相對論，時空是可以彎曲的，有品質的物體在其中加速運動，擾動周圍的時空，就會産生引力波。這就好比石頭丢進水裡會産生水波，引力波是以常被稱作“時空的漣漪”。
國家天文台研究員、論文通訊作者李柯伽說：“納赫茲引力波是引力波的一種。對頻率低至納赫茲的引力波進行探測，将有助于天文學家了解宇宙結構的起源。”
引力波信号極其微弱，卻是探測宇宙中不發光物質的直接手段，探測引力波并且開辟引力波觀測宇宙的新視窗是天文學家長期以來追求的目标。20世紀70-80年代，引力波的存在通過觀測脈沖雙星系統的軌道變化得以間接證明，并獲得了1993年諾貝爾實體學獎。2016年，美國雷射幹涉引力波天文台宣布在百赫茲頻段探測到恒星級品質雙黑洞并合産生的引力波，并是以獲得了2017年諾貝爾實體學獎。2017年8月，美國雷射幹涉引力波天文台又探測到了兩個中子星并合産生的引力波，除了引力波信号，全頻段的電磁輻射也被觀測到了，預示着多信使天文學時代的到來。
更大品質的天體産生的引力波頻率更低。李柯伽說：“例如，星系中心的超大品質雙黑洞系統，是宇宙中品質最大的天體，其品質是太陽的億到千億倍。它繞轉産生的引力波主要集中在納赫茲頻段，相應的信号時标為年到幾十年。在這個頻段内，還可能有宇宙早期原初引力波殘存至今的部分和宇宙弦等奇異對象産生的引力波。”
開辟納赫茲引力波探測宇宙的新視窗對于了解超大品質黑洞、星系并合曆史、宇宙大尺度結構形成等問題具有重大意義。
對納赫茲引力波的探測十分具有挑戰性
發現納赫茲引力波是國際實體和天文領域競賽的焦點之一。
國家天文台助理研究員、論文第一作者胥恒說：“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，對它的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已知的唯一探測手段。”
國際上，北美納赫茲引力波天文台、歐洲脈沖星測時陣列、澳洲帕克斯脈沖星測時陣列，利用各自的大型射電望遠鏡，已分别開展了長達20年的納赫茲引力波搜尋。近期一些新生力量也逐漸加入這一領域，包括大陸的中國脈沖星測時陣列，印度脈沖星測時陣列和南非脈沖星測時陣列。
在此次研究中，科研團隊利用中國天眼對57顆毫秒脈沖星進行了長期系統性監測，并将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。基于獨立開發的軟體，科研人員對中國天眼收集的時間跨度3年5個月的資料進行分析研究，在4.6西格瑪置信度水準（誤報率小于五十萬分之一）上發現了具有納赫茲引力波特征的四極相關信号的證據。
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——即靈敏度随着觀測時間跨度的增長而迅速增加。
研究團隊面對觀測時間跨度遠短于美、歐、澳三個國際團隊的不利局面，充分利用中國天眼靈敏度高、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，自主開發獨立資料分析軟體，以資料精度、脈沖星數量和資料處理算法上的優勢彌補了時間跨度上的差距，使大陸納赫茲引力波探測靈敏度很快達到了與美、歐、澳相當的水準，進而同時實作此次重大科學突破。不過，受限于目前觀測資料較短的時間跨度，團隊暫時無法确定納赫茲波段引力波的主要實體來源，
“但這将随着後續觀測資料時間跨度的增加而解決。” 李柯伽說，“由于我們團隊現有資料時間跨度較短，是以資料時間跨度增長帶來的效果會更明顯，例如，如果資料時間跨度再增長3年5個月，我們的資料時間跨度将翻倍，而其他國際團隊僅增長不到20%。”
為引力波天體實體學打開了一個全新的視窗
2020年9月，北美納赫茲引力波天文台利用47顆脈沖星12.5年的觀測資料，宣稱測量到納赫茲引力波的中心振幅為1.92 x 10^-15，頻率譜指數與超大品質雙黑洞系統的理論預期-2/3相符，但是信号中沒有看到引力波關鍵證據的四極矩關聯的Hellings-Downs 曲線。
中國科學院院士蔡榮根說：“此次中國脈沖星測時陣列研究團隊的結果與超大品質的雙黑洞系統的理論預期一緻。特别重要的是，團隊發現在4.6個标準偏差範圍内信号中四極矩關聯的存在性。”
蔡榮根告訴記者，通過資料的進一步積累，下一步一個關鍵的問題是去确定引力波譜指數。“如果譜指數是-2/3，則可以肯定探測到的引力波源是超大品質雙黑洞系統，這是首次觀測到宇宙中存在這樣的超大品質雙星系統，對了解這些雙星系統的形成和演化具有重要的意義。另外，除了超大品質的雙黑洞系統，理論研究表明還有豐富的實體過程會産生納赫茲頻段的引力波，如宇宙弦，宇宙籌壁，宇宙學相變，宇宙暴脹時期曲率漲落引起的随機引力波等。要區分這些實體過程，其關鍵是确定引力波譜指數。”
北京大學講席教授何子山說：“産生納赫茲引力波是超大品質黑洞并合的獨有預言。這個期待已久的預言，終于被中國脈沖星測時陣列研究通過利用中國天眼獲得了觀測證據。 這是一項重大的科學突破，具有持久的巨大意義。 它不僅對星系演化和超大品質黑洞研究的廣泛領域具有深遠的影響，而且為引力波天體實體學打開了一個全新的視窗。”
後續，中國科學院國家天文台将充分發揮中國天眼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，積累更長期的觀測資料，逐漸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視窗。
中國科學院國家天文台台長、中國科學院院士常進說：“國家天文台還将積極推進中國天眼擴充和更新，基于脈沖星測時陣列方法，實作納赫茲引力波事件的正常觀測，進而建成納赫茲引力波天文台，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，将大陸加快建設成為引力波天文和射電天文的強國。”
來源：人民日報用戶端