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NO.2495-中國(guó)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(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)博士生

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

FAST所在▼

自從FAST建成以來(lái)，這一大國(guó)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(lái)探測(cè)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(cè)這一競(jìng)爭(zhēng)激烈的領(lǐng)域，國(guó)際同行已經(jīng)花了長(zhǎng)達(dá)二十年的時(shí)間積累數(shù)據(jù)；而我國(guó)團(tuán)隊(duì)利用FAST，只花了三年半就后來(lái)居上，站在了世界前沿。

這背后又藏著怎樣不為人知的中國(guó)故事？

向深空探索，永無(wú)止境（圖：壹圖網(wǎng)）▼

引力波：舞動(dòng)時(shí)空

波動(dòng)，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(dòng)的本質(zhì)是某種擾動(dòng)沿著時(shí)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(dòng)下有節(jié)奏地上下浮動(dòng)，但卻不會(huì)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(shí)到，聲音的本質(zhì)是空氣的振動(dòng)與傳播。在此基礎(chǔ)上，人類探索出了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臉?lè)理，制造各種精妙的樂(lè)器，收獲了無(wú)與倫比的音樂(lè)藝術(shù)。

而“光的本質(zhì)是波還是粒子”的爭(zhēng)論，則延續(xù)了數(shù)個(gè)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(duì)論橫空出世。一言以蔽之，廣義相對(duì)論描述了引力、時(shí)間和空間之間的關(guān)系：引力其實(shí)是物質(zhì)使周圍時(shí)空產(chǎn)生扭曲的結(jié)果。比如，地球?yàn)槭裁蠢@著太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)？是因?yàn)樘?yáng)的巨大質(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(yáng)（圖：NASA）▼

而時(shí)空扭曲的程度取決于物體的質(zhì)量，并且會(huì)隨著物質(zhì)分布的改變而變化。假如一個(gè)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(dòng)（如雙黑洞繞轉(zhuǎn)并合），那它周圍的空間也會(huì)隨之拉伸或壓縮。這種時(shí)空的震蕩將以光速向外傳播，就是“引力波”。

也就是說(shuō)，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(dòng)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(cè)引力波

一百年來(lái)，廣義相對(duì)論的其他預(yù)言，如引力會(huì)使光線偏折、水星軌道近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)等，都已逐步被觀測(cè)證實(shí)。唯獨(dú)引力波，由于信號(hào)極弱、探測(cè)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(kāi)頭的小紙船為例，為了探測(cè)“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(duì)自己在上下擺動(dòng)，那就證明有水波經(jīng)過(guò)。

（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^(guò)是紙船上的一只螞蟻，它無(wú)法直接感知自己所處的紙船是否發(fā)生了移動(dòng)，而只能觀察隔壁的紙船是否相對(duì)于自己在運(yùn)動(dòng)。

同樣，如果有引力波掃過(guò)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(zhǎng)度將發(fā)生變化。如果測(cè)出這樣的變化，就等于測(cè)到了引力波。

引力波，時(shí)空的波紋（僅示意）▼

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

這類探測(cè)器通常由兩條互相垂直、長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里的真空臂構(gòu)成。當(dāng)引力波經(jīng)過(guò)時(shí)，這兩條互相垂直且等長(zhǎng)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(cè)出兩臂長(zhǎng)度的不同變化。

2015年9月14日，位于美國(guó)的激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）宣布人類首次探測(cè)到了真實(shí)的引力波信號(hào)。這一年，距廣義相對(duì)論誕生過(guò)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(jiǎng)。

LIGO的兩個(gè)探測(cè)器（圖：LIGO）▼

LIGO原理示意圖▼

有了LIGO這樣的地面探測(cè)器，人類就可以測(cè)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(zhǎng)）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(wú)法感知到水波的存在。換句話說(shuō)，兩只紙船的距離必須與要探測(cè)的波長(zhǎng)相當(dāng)。

如同樂(lè)器可以發(fā)出不同頻率和波長(zhǎng)的聲音一樣，來(lái)自不同源頭的引力波也有不同的頻率和波長(zhǎng)。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(zhǎng)越長(zhǎng)、頻率越低。

引力波譜，不同頻率引力波的來(lái)源及探測(cè)方式

（圖：NASA）▼

LIGO的臂長(zhǎng)（類比于兩只紙船的間距）為4公里，可探測(cè)的引力波頻率約為10~1000赫茲，這樣的引力波來(lái)自恒星級(jí)黑洞并合。而更大質(zhì)量黑洞并合產(chǎn)生的引力波，波長(zhǎng)超過(guò)上萬(wàn)公里，整個(gè)地球也裝不下這么長(zhǎng)的探測(cè)器。

但是沒(méi)關(guān)系，我們可以“上天”。

2015年，由我國(guó)中山大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出的“天琴計(jì)劃”正式啟動(dòng)，將在2035年前后將3顆激光干涉測(cè)距衛(wèi)星發(fā)射到約10萬(wàn)公里高的地球軌道上，構(gòu)成一個(gè)邊長(zhǎng)17萬(wàn)公里的等邊三角形，測(cè)量1~10^-4赫茲的引力波信號(hào)。

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(cè)試，天琴計(jì)劃已完成月球激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)，使我國(guó)成為國(guó)際上第三個(gè)完成該試驗(yàn)的國(guó)家。2019年12月，“天琴一號(hào)”技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射成功，開(kāi)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(guó)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(yáng)軌道上，組成邊長(zhǎng)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(hào)”衛(wèi)星升空，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)迄今為止最高精度的空間激光干涉測(cè)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(huì)更低，即納赫茲（10^-9 Hz）引力波，其波長(zhǎng)可達(dá)光年量級(jí)，這一尺度甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了太陽(yáng)系的范圍。目前人類還不可能飛出太陽(yáng)系，在銀河系深處放置一個(gè)激光發(fā)射器。

超大質(zhì)量黑洞，長(zhǎng)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(shí)的邊界延伸到宇宙深處，他們的想象力從一開(kāi)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(shuō)，問(wèn)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(guó)天眼”大顯神威的脈沖星。

“中國(guó)天眼”宛如玉盤（圖：共生地球）▼

脈沖星測(cè)時(shí)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(duì)準(zhǔn)地球，就會(huì)被FAST這樣的射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到。

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

脈沖星是一種會(huì)“眨眼睛”的星星

來(lái)自船帆座脈沖星的脈沖循環(huán)（圖：Wiki）▼

當(dāng)然，我們觀測(cè)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(cè)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(hào)，那這必然是來(lái)自銀河系外的引力波。

利用脈沖星陣列測(cè)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(cè)量極限，畢竟納赫茲引力波的信號(hào)實(shí)在是太微弱了。

來(lái)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(zhǎng)是光年量級(jí)的，意味著其周期也長(zhǎng)達(dá)數(shù)年。我們需要對(duì)脈沖星進(jìn)行很多年的持續(xù)觀測(cè)，才能從中提取到有效的信號(hào)。觀測(cè)時(shí)間越長(zhǎng)，靈敏度越高，這一點(diǎn)非常重要。這不光是爭(zhēng)分奪秒的競(jìng)爭(zhēng)，也需要付出成年累月的耐心。

脈沖星計(jì)時(shí)陣列示意圖

綠色網(wǎng)格代表受引力波影響而抖動(dòng)的時(shí)空▼

數(shù)十年來(lái)，國(guó)際上多個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始了賽跑，如美國(guó)的NANOGrav、歐洲的EPTA、澳大利亞的PPTA等。他們利用各自國(guó)家的大型射電望遠(yuǎn)鏡開(kāi)展脈沖星陣列的觀測(cè)，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(guó)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(kāi)始了利用脈沖星探測(cè)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(cè)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(kāi)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(gè)月時(shí)間內(nèi)對(duì)57顆毫秒脈沖星進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，我們?cè)?.6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的置信度水平（誤報(bào)率小于五十萬(wàn)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(hào)的證據(jù)。

“中國(guó)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(guó)際上其他4個(gè)團(tuán)隊(duì)共同發(fā)布了此次納赫茲引力波觀測(cè)的結(jié)果。

值得期待的是，隨著觀測(cè)時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，我們將在未來(lái)幾年快速且大幅地超越國(guó)際同行，實(shí)現(xiàn)從晚起步，到比肩，再到領(lǐng)跑。到時(shí)候，本次納赫茲引力波信號(hào)的具體來(lái)源（目前的數(shù)據(jù)尚不足以確認(rèn)）或?qū)⒂晌覀儊?lái)揭曉。

那么，還有更低頻（波長(zhǎng)更長(zhǎng)）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(huì)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(guó)多家科研單位合力推進(jìn)的世界最高海拔引力波觀測(cè)站開(kāi)建，期待未來(lái)從CMB的信號(hào)中找到原初引力波的蹤跡。

一百年前，當(dāng)人們嘆服于相對(duì)論時(shí)，愛(ài)因斯坦自己卻認(rèn)為人類永遠(yuǎn)不可能探測(cè)到引力波。可后世科學(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(duì)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(cè)。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(duì)茫茫星海，人類試圖參透天機(jī)

（圖：NASA）▼

兩千年前，阿基米德說(shuō)“給我一個(gè)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(kāi)始預(yù)測(cè)天體的運(yùn)行。

如果今天也有一個(gè)阿基米德式的宣言，那么天文學(xué)家會(huì)說(shuō)：“以銀河為琴弦，以眾星為音符，以光年為尺度，我們可以探聽(tīng)引力波奏響的樂(lè)章。”——這是真正的“天籟”。

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

上下滑動(dòng)查看參考資料：

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

2. 【中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)】中國(guó)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(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)（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(shí)局立場(chǎng)

END

原標(biāo)題：《中國(guó)天眼，有一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)！》

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