CPTA团队利用FAST探测到纳赫兹引力波存在关键性证据的示意图。 中科院国家天文台 供图
中新网北京6月29日电 (记者 孙自法)记者6月29日从中国科学院(中科院)国家天文台获悉，由该台牵头组建的中国脉冲星测时阵列(CPTA)研究团队利用被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜(FAST)，最近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已经与国际领先水平同步。
这项纳赫兹引力波研究重要成果论文，当天在中国天文学术期刊《天文与天体物理研究》(RAA)在线发表。作为引力波的一种，对频率低至纳赫兹的引力波进行探测，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。
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纳赫兹引力波探测极具挑战性
中科院国家天文台介绍说，纳赫兹引力波由于频率极低、周期长达数年，其波长可达数光年，对其探测十分具有挑战性。利用大型射电望远镜对一批自转极其规律的毫秒脉冲星进行长期测时观测，是纳赫兹引力波目前所知的唯一探测手段，发现纳赫兹引力波也是国际物理和天文领域竞赛的焦点之一。
在此次研究中，CPTA团队利用FAST对57颗毫秒脉冲星进行长期系统性监测，并将这些毫秒脉冲星组成银河系尺度大小的引力波探测器来搜寻纳赫兹引力波。该团队基于独立开发的软件，对 FAST收集的时间跨度为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(误报率小于五十万分之一)上发现具有纳赫兹引力波特征的四极相关信号的证据。
中科院理论物理研究所所长蔡荣根院士指出，这次CTPA团队利用FAST测量到引力波信号的关键证据，结果与超大质量双黑洞系统的理论预期一致。下一步通过数据的进一步积累，一个关键的问题是去确定引力波的谱指数，这蕴含着引力波源的丰富物理。
北京大学何子山教授认为，产生纳赫兹引力波是超大质量黑洞并合的独有预言，这个期待已久的预言，最近终于被CPTA通过利用FAST找到了观测证据。它不仅对星系演化和超大质量黑洞研究的广泛领域具有深远影响，而且为引力波天体物理学打开一个全新的窗口。
CPTA团队利用FAST探测到纳赫兹引力波存在关键性证据的示意图。 中科院国家天文台 供图
FAST将拓展建成纳赫兹引力波天文台
脉冲星测时阵探测纳赫兹引力波的灵敏度强烈依赖于观测时间跨度，即灵敏度随着观测时间跨度的增长而迅速增加。CPTA团队面对观测时间跨度远短于美国、欧洲、澳大利亚三个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，长期系统地监测了一大批毫秒脉冲星，并自主开发独立数据分析软件，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，使中国纳赫兹引力波探测灵敏度很快达到与美、欧、澳相当的水平，从而同步实现此次重大科学突破。不过，受限于当前观测数据较短的时间跨度，CPTA团队暂时无法确定纳赫兹波段引力波的主要物理来源，但这将随着后续观测数据时间跨度的增加而解决。
中科院国家天文台表示，后续将充分发挥FAST脉冲星测时精度国际领先优势，加快纳赫兹引力波探测科研攻关，积累更长期的观测数据，逐步发表更高精度的探测结果，打开人类利用纳赫兹引力波探测宇宙的新窗口。
同时，该台还将积极推进FAST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，将中国加快建设成为引力波天文和射电天文强国。
前瞻布局为引力波探测奠定基础
中国最早在2002年开展初步的脉冲星测时阵前期调研。2016年6月，中科院对纳赫兹引力波探测研究进行前瞻、战略和系统布局，部署“多波段引力波宇宙研究”战略性先导科技专项(B类)，中科院国家天文台联合北京大学和中科院新疆天文台、云南天文台、上海天文台、国家授时中心以及广州大学等组建CPTA研究团队，为利用FAST探测纳赫兹引力波开展科学和技术预研。
2019年6月，FAST科学委员会成立，进一步凝练原创突破目标，整合全国最优秀青年科技力量，依托FAST组织开展体系化、建制化科研攻关，通过遴选评议设立中国脉冲星测时阵列优先和重大项目、提供观测时间，加快开展纳赫兹引力波探测协同攻关。由于观测数据积累的时间跨度对探测纳赫兹引力波非常重要，为尽早开始积累观测数据，当年9月，FAST还处于调试阶段，CPTA团队就联合FAST调试工作组开始试观测，尽可能早地为探测纳赫兹引力波积累观测数据。
与此同时，2020年科技部通过平方公里阵列射电望远镜(SKA)专项部署“脉冲星测时和检验引力理论”科研任务，利用FAST等国内射电望远镜组成望远镜阵列，开展阵列望远镜脉冲星测时和纳赫兹引力波探测的预先研究。2020年国家自然科学基金委员会通过FAST专项重点部署“基于FAST的脉冲星前沿物理问题研究”，开展脉冲星物理特性和测时噪声研究，进一步提高脉冲星测时精度。
在国际上，美国、欧洲、澳大利亚利用各自大型射电望远镜，已分别开展长达20年的纳赫兹引力波搜寻，近期包括中国、印度、南非等新生力量也逐渐加入引力波探测领域，在中国最新发布“中国天眼”探测到纳赫兹引力波存在关键证据的同时，国际上其他脉冲星测时阵列合作组，也分别宣布相类似的结果。
中科院国家天文台10年来全力做好 FAST建设调试、开放运行和科学研究工作，已取得一系列具有国际影响力的重大成果。未来，CPTA团队将推进国际脉冲星测时阵列合作，期待脉冲星测时阵列将很快为人类探索宇宙打开纳赫兹引力波观测新窗口。(完)
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