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NO.2495-中国天眼大发现

文字：忘年

校稿：朝乾 / 编辑：蛾

本文作者为

中国科学院国家天文台博士生

在今年6月的最后两个工作日，中科院国家天文台发布了新的重大成果：我国科学家利用位于贵州省平塘县的“中国天眼”（FAST）探测到了纳赫兹引力波存在的关键证据！这使我国在这一领域与国际同步达到领先水平。

FAST所在▼

自从FAST建成以来，这一大国重器因为在脉冲星搜寻上的突出成就频频出圈，但这或许是大家第一次知道，FAST竟然还能用来探测引力波？其原理是什么？

尤其值得强调的是，在纳赫兹引力波探测这一竞争激烈的领域，国际同行已经花了长达二十年的时间积累数据；而我国团队利用FAST，只花了三年半就后来居上，站在了世界前沿。

这背后又藏着怎样不为人知的中国故事？

向深空探索，永无止境（图：壹图网）▼

引力波：舞动时空

波动，是自然界中存在最为广泛、也最早被人类所认知的物理现象之一。波动的本质是某种扰动沿着时间和空间传播。如水波以水为介质，把一只小纸船投向水面，纸船在水波的拖动下有节奏地上下浮动，但却不会被水波推走。

“小船儿轻轻飘荡在水中”

（图：shutterstock）▼

在东方和西方，古人都很早就意识到，声音的本质是空气的振动与传播。在此基础上，人类探索出了严谨的乐理，制造各种精妙的乐器，收获了无与伦比的音乐艺术。

而“光的本质是波还是粒子”的争论，则延续了数个世纪，结论几经反转，成为人类科学史上最精彩跌宕的故事之一。

1915年，广义相对论横空出世。一言以蔽之，广义相对论描述了引力、时间和空间之间的关系：引力其实是物质使周围时空产生扭曲的结果。比如，地球为什么绕着太阳转动？是因为太阳的巨大质量使空间弯曲，而地球沿着这弯曲的空间运行。

从地球望向太阳（图：NASA）▼

而时空扭曲的程度取决于物体的质量，并且会随着物质分布的改变而变化。假如一个大质量物体的物质分布发生改变（如超新星爆发）、或发生剧烈的加速运动（如双黑洞绕转并合），那它周围的空间也会随之拉伸或压缩。这种时空的震荡将以光速向外传播，就是“引力波”。

也就是说，与水波或声波这类日常生活中的机械波不同，引力波不是某种扰动在固定的空间中传播，而是空间本身发生的扭曲向外传递。

SN 1987A超新星爆发（图：NASA）▼

双黑洞并合示意图（图：SXS）▼

如何探测引力波

一百年来，广义相对论的其他预言，如引力会使光线偏折、水星轨道近日点的进动等，都已逐步被观测证实。唯独引力波，由于信号极弱、探测难度巨大而一直保持神秘，成为物理学家孜孜以求的目标。

以本文开头的小纸船为例，为了探测“水波”，我们可以在水面上相隔一定距离放两只小纸船，如果在一只纸船上观察到另一只纸船相对自己在上下摆动，那就证明有水波经过。

（图：YouTube）▼

为什么一定要有两只纸船呢？因为在此处我们必须想象人类不过是纸船上的一只蚂蚁，它无法直接感知自己所处的纸船是否发生了移动，而只能观察隔壁的纸船是否相对于自己在运动。

同样，如果有引力波扫过地球，那我们周围的空间将发生微弱的扭曲，这意味着物体的长度将发生变化。如果测出这样的变化，就等于测到了引力波。

引力波，时空的波纹（仅示意）▼

上世纪末以来，世界各地的科学团队开始尝试基于激光干涉测距技术建造大型引力波探测器。

这类探测器通常由两条互相垂直、长达数公里的真空臂构成。当引力波经过时，这两条互相垂直且等长的臂将由于空间扭曲而发生不同程度的拉升或压缩，而置于其中的激光干涉仪就能灵敏地检测出两臂长度的不同变化。

2015年9月14日，位于美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）宣布人类首次探测到了真实的引力波信号。这一年，距广义相对论诞生过去了整整一百年。仅仅两年后，这一成果便被授予诺贝尔物理学奖。

LIGO的两个探测器（图：LIGO）▼

LIGO原理示意图▼

有了LIGO这样的地面探测器，人类就可以测量所有引力波了吗？远远不是。

还是回到水面上的纸船，假如水波间的宽度（波长）很大，而两只纸船靠得很近，它们几乎是“同上同下”，那么我们就无法感知到水波的存在。换句话说，两只纸船的距离必须与要探测的波长相当。

如同乐器可以发出不同频率和波长的声音一样，来自不同源头的引力波也有不同的频率和波长。以黑洞并合为例，越大质量的黑洞碰撞，引发的引力波周期和波长越长、频率越低。

引力波谱，不同频率引力波的来源及探测方式

（图：NASA）▼

LIGO的臂长（类比于两只纸船的间距）为4公里，可探测的引力波频率约为10~1000赫兹，这样的引力波来自恒星级黑洞并合。而更大质量黑洞并合产生的引力波，波长超过上万公里，整个地球也装不下这么长的探测器。

但是没关系，我们可以“上天”。

2015年，由我国中山大学团队提出的“天琴计划”正式启动，将在2035年前后将3颗激光干涉测距卫星发射到约10万公里高的地球轨道上，构成一个边长17万公里的等边三角形，测量1~10^-4赫兹的引力波信号。

天琴卫星星座示意图

由SC1，SC2，SC3三颗卫星组成

（底图：tianqin.sysu.edu.cn）▼

作为前期测试，天琴计划已完成月球激光测距实验，使我国成为国际上第三个完成该试验的国家。2019年12月，“天琴一号”技术试验卫星发射成功，开始进行相关核心技术的在轨验证。

除了地球轨道上的“天琴计划”外，由中国科学院团队主导的“太极计划”和欧洲航空局的LISA计划，还将分别把卫星发射到远离地球的太阳轨道上，组成边长更大的三角形阵列。

“太极计划”示意图（底图：tj.ucas.ac.cn）▼

LISA计划示意图（图：arxiv.org）▼

2019年8月，“太极一号”卫星升空，实现了中国迄今为止最高精度的空间激光干涉测量。

但是，这还是不够。

由星系中心超大质量黑洞并合产生的引力波频率还会更低，即纳赫兹（10^-9 Hz）引力波，其波长可达光年量级，这一尺度甚至远远超出了太阳系的范围。目前人类还不可能飞出太阳系，在银河系深处放置一个激光发射器。

超大质量黑洞，长这样（图：eso.org）▼

可是，虽然天文学家只蜗居于地球，却能将人类知识的边界延伸到宇宙深处，他们的想象力从一开始就超越了现实世界的束缚。

天文学家扶了扶眼镜说，问题不大，银河系里天然就有可以承担这一功能的“宇宙秒表”，那就是这些年让“中国天眼”大显神威的脉冲星。

“中国天眼”宛如玉盘（图：共生地球）▼

脉冲星测时阵列

脉冲星是大质量恒星演化到晚期的一类产物，它的本质是一颗高速旋转的中子星。它的奇特之处在于，由于自转非常稳定，它始终以固定的频率发出射电脉冲。如果脉冲方向刚好对准地球，就会被FAST这样的射电望远镜观测到。

当引力波扫过银河系，脉冲星和地球之间的空间被扰动，使我们收到脉冲星信号的周期发生改变，如同水面的纸船因水波发生晃动一样。

脉冲星是一种会“眨眼睛”的星星

来自船帆座脉冲星的脉冲循环（图：Wiki）▼

当然，我们观测到的脉冲星周期还有可能受到各种各样的噪声影响，为了排除这些干扰，我们需要测量一批脉冲星。假如远在银河系不同方向的一群脉冲星，都包含着某种具有相关性的信号，那这必然是来自银河系外的引力波。

利用脉冲星阵列测量引力波的想法，早在1983年就已经提出了。这种天马行空的奇思妙想，是在挑战人类的测量极限，毕竟纳赫兹引力波的信号实在是太微弱了。

来欣赏一下PSR B1509-58

它是一颗脉冲星，位于圆规座（图：NASA）▼

而且由于纳赫兹引力波的波长是光年量级的，意味着其周期也长达数年。我们需要对脉冲星进行很多年的持续观测，才能从中提取到有效的信号。观测时间越长，灵敏度越高，这一点非常重要。这不光是争分夺秒的竞争，也需要付出成年累月的耐心。

脉冲星计时阵列示意图

绿色网格代表受引力波影响而抖动的时空▼

数十年来，国际上多个团队已经开始了赛跑，如美国的NANOGrav、欧洲的EPTA、澳大利亚的PPTA等。他们利用各自国家的大型射电望远镜开展脉冲星阵列的观测，前后已经积累近20年数据。

星空之中，究竟还有多少秘密？

（图：shutterstock）▼

而中国在这条赛道上起跑较晚。FAST建成后，在2019年的试运行阶段，我们的团队（CPTA）就马上开始了利用脉冲星探测纳赫兹引力波的工作。相比于世界上的其他射电望远镜，FAST灵敏度和精度更高，并且可监测脉冲星数量更多，成了我们的最强助力。

除了硬件给力外，我们的团队独立自主地开发数据处理软件，进行算法优化。

最终，依靠3年5个月时间内对57颗毫秒脉冲星进行系统监测的数据，我们在4.6个标准差的置信度水平（误报率小于五十万分之一）上发现了具有纳赫兹引力波特征的四极相关信号的证据。

“中国天眼”是搜寻脉冲星的利器

（图：图虫创意）▼

今年6月28日，我们和国际上其他4个团队共同发布了此次纳赫兹引力波观测的结果。

值得期待的是，随着观测时间继续延长，我们将在未来几年快速且大幅地超越国际同行，实现从晚起步，到比肩，再到领跑。到时候，本次纳赫兹引力波信号的具体来源（目前的数据尚不足以确认）或将由我们来揭晓。

那么，还有更低频（波长更长）的引力波吗？是的，那就是与宇宙大爆炸直接相关的“原初引力波”。这一理论预言，原初引力波会使宇宙微波背景辐射（CMB）产生一种特殊模式的偏振。

宇宙的历史（图：wiki）▼

2017年1月，在西藏阿里，由我国多家科研单位合力推进的世界最高海拔引力波观测站开建，期待未来从CMB的信号中找到原初引力波的踪迹。

一百年前，当人们叹服于相对论时，爱因斯坦自己却认为人类永远不可能探测到引力波。可后世科学家不仅做到了，而且方法上天入地，不止一种。

上帝总是试图像对待纸船上的蝼蚁一样限制人类，用引力把我们束缚在地球上，以大气和尘埃遮蔽星辰，使之难以观测。但智慧生物仍执著地试图打破这一切，妄图掌握物理规律，洞察宇宙，如同盗取天火。

面对茫茫星海，人类试图参透天机

（图：NASA）▼

两千年前，阿基米德说“给我一个支点，我可以撬起地球”。四百年前，牛顿僭越上帝的职责，开始预测天体的运行。

如果今天也有一个阿基米德式的宣言，那么天文学家会说：“以银河为琴弦，以众星为音符，以光年为尺度，我们可以探听引力波奏响的乐章。”——这是真正的“天籁”。

最后，让我们继续期待——“中国天眼”，你还有多少惊喜是我们不知道的？

参考资料：

1. 中国脉冲星测时阵列团队发表纳赫兹引力波观测证据论文原文：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1674-4527/acdfa5/pdf

2. 【中国科学院国家天文台】中国天眼FAST纳赫兹引力波搜寻研究取得重大突破：http://www.bao.ac.cn/news/gd/202306/t20230629_6792519.html

3. 美国激光干涉引力波天文台（LIGO）网址：https://www.ligo.caltech.edu/

4. 中山大学天琴中心网址：https://tianqin.sysu.edu.cn/

5. 欧洲航空局激光干涉空间天线（LISA）计划网址：https://lisa.nasa.gov/index.html

*本文内容为作者提供，不代表地球知识局立场