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NO.2495-中國天眼大發(fā)現(xiàn)

文字：忘年

校稿：朝乾 / 編輯：蛾

本文作者為

中國科學(xué)院國家天文臺博士生

在今年6月的最后兩個工作日，中科院國家天文臺發(fā)布了新的重大成果：我國科學(xué)家利用位于貴州省平塘縣的“中國天眼”（FAST）探測到了納赫茲引力波存在的關(guān)鍵證據(jù)！這使我國在這一領(lǐng)域與國際同步達(dá)到領(lǐng)先水平。

FAST所在▼

自從FAST建成以來，這一大國重器因?yàn)樵诿}沖星搜尋上的突出成就頻頻出圈，但這或許是大家第一次知道，F(xiàn)AST竟然還能用來探測引力波？其原理是什么？

尤其值得強(qiáng)調(diào)的是，在納赫茲引力波探測這一競爭激烈的領(lǐng)域，國際同行已經(jīng)花了長達(dá)二十年的時間積累數(shù)據(jù)；而我國團(tuán)隊(duì)利用FAST，只花了三年半就后來居上，站在了世界前沿。

這背后又藏著怎樣不為人知的中國故事？

向深空探索，永無止境（圖：壹圖網(wǎng)）▼

引力波：舞動時空

波動，是自然界中存在最為廣泛、也最早被人類所認(rèn)知的物理現(xiàn)象之一。波動的本質(zhì)是某種擾動沿著時間和空間傳播。如水波以水為介質(zhì)，把一只小紙船投向水面，紙船在水波的拖動下有節(jié)奏地上下浮動，但卻不會被水波推走。

“小船兒輕輕飄蕩在水中”

（圖：shutterstock）▼

在東方和西方，古人都很早就意識到，聲音的本質(zhì)是空氣的振動與傳播。在此基礎(chǔ)上，人類探索出了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臉防恚圃旄鞣N精妙的樂器，收獲了無與倫比的音樂藝術(shù)。

而“光的本質(zhì)是波還是粒子”的爭論，則延續(xù)了數(shù)個世紀(jì)，結(jié)論幾經(jīng)反轉(zhuǎn)，成為人類科學(xué)史上最精彩跌宕的故事之一。

1915年，廣義相對論橫空出世。一言以蔽之，廣義相對論描述了引力、時間和空間之間的關(guān)系：引力其實(shí)是物質(zhì)使周圍時空產(chǎn)生扭曲的結(jié)果。比如，地球?yàn)槭裁蠢@著太陽轉(zhuǎn)動？是因?yàn)樘柕木薮筚|(zhì)量使空間彎曲，而地球沿著這彎曲的空間運(yùn)行。

從地球望向太陽（圖：NASA）▼

而時空扭曲的程度取決于物體的質(zhì)量，并且會隨著物質(zhì)分布的改變而變化。假如一個大質(zhì)量物體的物質(zhì)分布發(fā)生改變（如超新星爆發(fā)）、或發(fā)生劇烈的加速運(yùn)動（如雙黑洞繞轉(zhuǎn)并合），那它周圍的空間也會隨之拉伸或壓縮。這種時空的震蕩將以光速向外傳播，就是“引力波”。

也就是說，與水波或聲波這類日常生活中的機(jī)械波不同，引力波不是某種擾動在固定的空間中傳播，而是空間本身發(fā)生的扭曲向外傳遞。

SN 1987A超新星爆發(fā)（圖：NASA）▼

雙黑洞并合示意圖（圖：SXS）▼如何探測引力波

一百年來，廣義相對論的其他預(yù)言，如引力會使光線偏折、水星軌道近日點(diǎn)的進(jìn)動等，都已逐步被觀測證實(shí)。唯獨(dú)引力波，由于信號極弱、探測難度巨大而一直保持神秘，成為物理學(xué)家孜孜以求的目標(biāo)。

以本文開頭的小紙船為例，為了探測“水波”，我們可以在水面上相隔一定距離放兩只小紙船，如果在一只紙船上觀察到另一只紙船相對自己在上下擺動，那就證明有水波經(jīng)過。

（圖：YouTube）▼

為什么一定要有兩只紙船呢？因?yàn)樵诖颂幬覀儽仨毾胂笕祟惒贿^是紙船上的一只螞蟻，它無法直接感知自己所處的紙船是否發(fā)生了移動，而只能觀察隔壁的紙船是否相對于自己在運(yùn)動。

同樣，如果有引力波掃過地球，那我們周圍的空間將發(fā)生微弱的扭曲，這意味著物體的長度將發(fā)生變化。如果測出這樣的變化，就等于測到了引力波。

引力波，時空的波紋（僅示意）▼

上世紀(jì)末以來，世界各地的科學(xué)團(tuán)隊(duì)開始嘗試基于激光干涉測距技術(shù)建造大型引力波探測器。

這類探測器通常由兩條互相垂直、長達(dá)數(shù)公里的真空臂構(gòu)成。當(dāng)引力波經(jīng)過時，這兩條互相垂直且等長的臂將由于空間扭曲而發(fā)生不同程度的拉升或壓縮，而置于其中的激光干涉儀就能靈敏地檢測出兩臂長度的不同變化。

2015年9月14日，位于美國的激光干涉引力波天文臺（LIGO）宣布人類首次探測到了真實(shí)的引力波信號。這一年，距廣義相對論誕生過去了整整一百年。僅僅兩年后，這一成果便被授予諾貝爾物理學(xué)獎。

LIGO的兩個探測器（圖：LIGO）▼

LIGO原理示意圖▼有了LIGO這樣的地面探測器，人類就可以測量所有引力波了嗎？遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是。

還是回到水面上的紙船，假如水波間的寬度（波長）很大，而兩只紙船靠得很近，它們幾乎是“同上同下”，那么我們就無法感知到水波的存在。換句話說，兩只紙船的距離必須與要探測的波長相當(dāng)。

如同樂器可以發(fā)出不同頻率和波長的聲音一樣，來自不同源頭的引力波也有不同的頻率和波長。以黑洞并合為例，越大質(zhì)量的黑洞碰撞，引發(fā)的引力波周期和波長越長、頻率越低。

引力波譜，不同頻率引力波的來源及探測方式

（圖：NASA）▼

LIGO的臂長（類比于兩只紙船的間距）為4公里，可探測的引力波頻率約為10~1000赫茲，這樣的引力波來自恒星級黑洞并合。而更大質(zhì)量黑洞并合產(chǎn)生的引力波，波長超過上萬公里，整個地球也裝不下這么長的探測器。

但是沒關(guān)系，我們可以“上天”。

2015年，由我國中山大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出的“天琴計(jì)劃”正式啟動，將在2035年前后將3顆激光干涉測距衛(wèi)星發(fā)射到約10萬公里高的地球軌道上，構(gòu)成一個邊長17萬公里的等邊三角形，測量1~10^-4赫茲的引力波信號。

天琴衛(wèi)星星座示意圖

由SC1，SC2，SC3三顆衛(wèi)星組成

（底圖：tianqin.sysu.edu.cn）▼

作為前期測試，天琴計(jì)劃已完成月球激光測距實(shí)驗(yàn)，使我國成為國際上第三個完成該試驗(yàn)的國家。2019年12月，“天琴一號”技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射成功，開始進(jìn)行相關(guān)核心技術(shù)的在軌驗(yàn)證。

除了地球軌道上的“天琴計(jì)劃”外，由中國科學(xué)院團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的“太極計(jì)劃”和歐洲航空局的LISA計(jì)劃，還將分別把衛(wèi)星發(fā)射到遠(yuǎn)離地球的太陽軌道上，組成邊長更大的三角形陣列。

“太極計(jì)劃”示意圖（底圖：tj.ucas.ac.cn）▼

LISA計(jì)劃示意圖（圖：arxiv.org）▼2019年8月，“太極一號”衛(wèi)星升空，實(shí)現(xiàn)了中國迄今為止最高精度的空間激光干涉測量。

但是，這還是不夠。

由星系中心超大質(zhì)量黑洞并合產(chǎn)生的引力波頻率還會更低，即納赫茲（10^-9 Hz）引力波，其波長可達(dá)光年量級，這一尺度甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了太陽系的范圍。目前人類還不可能飛出太陽系，在銀河系深處放置一個激光發(fā)射器。

超大質(zhì)量黑洞，長這樣（圖：eso.org）▼

可是，雖然天文學(xué)家只蝸居于地球，卻能將人類知識的邊界延伸到宇宙深處，他們的想象力從一開始就超越了現(xiàn)實(shí)世界的束縛。

天文學(xué)家扶了扶眼鏡說，問題不大，銀河系里天然就有可以承擔(dān)這一功能的“宇宙秒表”，那就是這些年讓“中國天眼”大顯神威的脈沖星。

“中國天眼”宛如玉盤（圖：共生地球）▼

脈沖星測時陣列

脈沖星是大質(zhì)量恒星演化到晚期的一類產(chǎn)物，它的本質(zhì)是一顆高速旋轉(zhuǎn)的中子星。它的奇特之處在于，由于自轉(zhuǎn)非常穩(wěn)定，它始終以固定的頻率發(fā)出射電脈沖。如果脈沖方向剛好對準(zhǔn)地球，就會被FAST這樣的射電望遠(yuǎn)鏡觀測到。

當(dāng)引力波掃過銀河系，脈沖星和地球之間的空間被擾動，使我們收到脈沖星信號的周期發(fā)生改變，如同水面的紙船因水波發(fā)生晃動一樣。

脈沖星是一種會“眨眼睛”的星星

來自船帆座脈沖星的脈沖循環(huán)（圖：Wiki）▼

當(dāng)然，我們觀測到的脈沖星周期還有可能受到各種各樣的噪聲影響，為了排除這些干擾，我們需要測量一批脈沖星。假如遠(yuǎn)在銀河系不同方向的一群脈沖星，都包含著某種具有相關(guān)性的信號，那這必然是來自銀河系外的引力波。

利用脈沖星陣列測量引力波的想法，早在1983年就已經(jīng)提出了。這種天馬行空的奇思妙想，是在挑戰(zhàn)人類的測量極限，畢竟納赫茲引力波的信號實(shí)在是太微弱了。

來欣賞一下PSR B1509-58

它是一顆脈沖星，位于圓規(guī)座（圖：NASA）▼

而且由于納赫茲引力波的波長是光年量級的，意味著其周期也長達(dá)數(shù)年。我們需要對脈沖星進(jìn)行很多年的持續(xù)觀測，才能從中提取到有效的信號。觀測時間越長，靈敏度越高，這一點(diǎn)非常重要。這不光是爭分奪秒的競爭，也需要付出成年累月的耐心。

脈沖星計(jì)時陣列示意圖

綠色網(wǎng)格代表受引力波影響而抖動的時空▼

數(shù)十年來，國際上多個團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始了賽跑，如美國的NANOGrav、歐洲的EPTA、澳大利亞的PPTA等。他們利用各自國家的大型射電望遠(yuǎn)鏡開展脈沖星陣列的觀測，前后已經(jīng)積累近20年數(shù)據(jù)。

星空之中，究竟還有多少秘密？

（圖：shutterstock）▼

而中國在這條賽道上起跑較晚。FAST建成后，在2019年的試運(yùn)行階段，我們的團(tuán)隊(duì)（CPTA）就馬上開始了利用脈沖星探測納赫茲引力波的工作。相比于世界上的其他射電望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST靈敏度和精度更高，并且可監(jiān)測脈沖星數(shù)量更多，成了我們的最強(qiáng)助力。

除了硬件給力外，我們的團(tuán)隊(duì)獨(dú)立自主地開發(fā)數(shù)據(jù)處理軟件，進(jìn)行算法優(yōu)化。

最終，依靠3年5個月時間內(nèi)對57顆毫秒脈沖星進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)，我們在4.6個標(biāo)準(zhǔn)差的置信度水平（誤報率小于五十萬分之一）上發(fā)現(xiàn)了具有納赫茲引力波特征的四極相關(guān)信號的證據(jù)。

“中國天眼”是搜尋脈沖星的利器

（圖：圖蟲創(chuàng)意）▼

今年6月28日，我們和國際上其他4個團(tuán)隊(duì)共同發(fā)布了此次納赫茲引力波觀測的結(jié)果。

值得期待的是，隨著觀測時間繼續(xù)延長，我們將在未來幾年快速且大幅地超越國際同行，實(shí)現(xiàn)從晚起步，到比肩，再到領(lǐng)跑。到時候，本次納赫茲引力波信號的具體來源（目前的數(shù)據(jù)尚不足以確認(rèn)）或?qū)⒂晌覀儊斫視浴?/p>

那么，還有更低頻（波長更長）的引力波嗎？是的，那就是與宇宙大爆炸直接相關(guān)的“原初引力波”。這一理論預(yù)言，原初引力波會使宇宙微波背景輻射（CMB）產(chǎn)生一種特殊模式的偏振。

宇宙的歷史（圖：wiki）▼

2017年1月，在西藏阿里，由我國多家科研單位合力推進(jìn)的世界最高海拔引力波觀測站開建，期待未來從CMB的信號中找到原初引力波的蹤跡。

一百年前，當(dāng)人們嘆服于相對論時，愛因斯坦自己卻認(rèn)為人類永遠(yuǎn)不可能探測到引力波?？珊笫揽茖W(xué)家不僅做到了，而且方法上天入地，不止一種。

上帝總是試圖像對待紙船上的螻蟻一樣限制人類，用引力把我們束縛在地球上，以大氣和塵埃遮蔽星辰，使之難以觀測。但智慧生物仍執(zhí)著地試圖打破這一切，妄圖掌握物理規(guī)律，洞察宇宙，如同盜取天火。

面對茫茫星海，人類試圖參透天機(jī)

（圖：NASA）▼

兩千年前，阿基米德說“給我一個支點(diǎn)，我可以撬起地球”。四百年前，牛頓僭越上帝的職責(zé)，開始預(yù)測天體的運(yùn)行。

如果今天也有一個阿基米德式的宣言，那么天文學(xué)家會說：“以銀河為琴弦，以眾星為音符，以光年為尺度，我們可以探聽引力波奏響的樂章?！薄@是真正的“天籟”。

最后，讓我們繼續(xù)期待——“中國天眼”，你還有多少驚喜是我們不知道的？

上下滑動查看參考資料：

1. 中國脈沖星測時陣列團(tuán)隊(duì)發(fā)表納赫茲引力波觀測證據(jù)論文原文：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1674-4527/acdfa5/pdf

2. 【中國科學(xué)院國家天文臺】中國天眼FAST納赫茲引力波搜尋研究取得重大突破：http://www.bao.ac.cn/news/gd/202306/t20230629_6792519.html

3. 美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）網(wǎng)址：https://www.ligo.caltech.edu/

4. 中山大學(xué)天琴中心網(wǎng)址：https://tianqin.sysu.edu.cn/

5. 歐洲航空局激光干涉空間天線（LISA）計(jì)劃網(wǎng)址：https://lisa.nasa.gov/index.html

*本文內(nèi)容為作者提供，不代表地球知識局立場

END

原標(biāo)題：《中國天眼，有一個重大發(fā)現(xiàn)！》

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