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NO.2495-中國天眼大發現

文字：忘年

校稿：朝乾 / 編輯：蛾

本文作者為

中國科學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布了新的重大成果：我國科學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鍵證據！這使我國在這一領域與國際同步達到領先水平。

FAST所在▼

自從FAST建成以來，這一大國重器因為在脈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，FAST竟然還能用來探測引力波？其原理是什么？

尤其值得強調的是，在納赫茲引力波探測這一競爭激烈的領域，國際同行已經花了長達二十年的時間積累數據；而我國團隊利用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）▼

引力波：舞動時空

波動，是自然界中存在最為廣泛、也最早被人類所認知的物理現象之一。波動的本質是某種擾動沿著時間和空間傳播。如水波以水為介質，把一只小紙船投向水面，紙船在水波的拖動下有節奏地上下浮動，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，聲音的本質是空氣的振動與傳播。在此基礎上，人類探索出了嚴謹的樂理，制造各種精妙的樂器，收獲了無與倫比的音樂藝術。

而“光的本質是波還是粒子”的爭論，則延續了數個世紀，結論幾經反轉，成為人類科學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系：引力其實是物質使周圍時空產生扭曲的結果。比如，地球為什么繞著太陽轉動？是因為太陽的巨大質量使空間彎曲，而地球沿著這彎曲的空間運行。

從地球望向太陽（圖：NASA）▼

而時空扭曲的程度取決于物體的質量，并且會隨著物質分布的改變而變化。假如一個大質量物體的物質分布發生改變（如超新星爆發）、或發生劇烈的加速運動（如雙黑洞繞轉并合），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，而是空間本身發生的扭曲向外傳遞。

SN 1987A超新星爆發（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言，如引力會使光線偏折、水星軌道近日點的進動等，都已逐步被觀測證實。唯獨引力波，由于信號極弱、探測難度巨大而一直保持神秘，成為物理學家孜孜以求的目標。

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，那就證明有水波經過。

（圖：YouTube）▼

為什么一定要有兩只紙船呢？因為在此處我們必須想象人類不過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生了移動，而只能觀察隔壁的紙船是否相對于自己在運動。

同樣，如果有引力波掃過地球，那我們周圍的空間將發生微弱的扭曲，這意味著物體的長度將發生變化。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）▼

上世紀末以來，世界各地的科學團隊開始嘗試基于激光干涉測距技術建造大型引力波探測器。

這類探測器通常由兩條互相垂直、長達數公里的真空臂構成。當引力波經過時，這兩條互相垂直且等長的臂將由于空間扭曲而發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？遠遠不是。

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。

如同樂器可以發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，越大質量的黑洞碰撞，引發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。而更大質量黑洞并合產生的引力波，波長超過上萬公里，整個地球也裝不下這么長的探測器。

但是沒關系，我們可以“上天”。

2015年，由我國中山大學團隊提出的“天琴計劃”正式啟動，將在2035年前后將3顆激光干涉測距衛星發射到約10萬公里高的地球軌道上，構成一個邊長17萬公里的等邊三角形，測量1~10^-4赫茲的引力波信號。

天琴衛星星座示意圖

由SC1，SC2，SC3三顆衛星組成

（底圖：tianqin.sysu.edu.cn）▼

作為前期測試，天琴計劃已完成月球激光測距實驗，使我國成為國際上第三個完成該試驗的國家。2019年12月，“天琴一號”技術試驗衛星發射成功，開始進行相關核心技術的在軌驗證。

除了地球軌道上的“天琴計劃”外，由中國科學院團隊主導的“太極計劃”和歐洲航空局的LISA計劃，還將分別把衛星發射到遠離地球的太陽軌道上，組成邊長更大的三角形陣列。

“太極計劃”示意圖（底圖：tj.ucas.ac.cn）▼

LISA計劃示意圖（圖：arxiv.org）▼

2019年8月，“太極一號”衛星升空，實現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。

由星系中心超大質量黑洞并合產生的引力波頻率還會更低，即納赫茲（10^-9 Hz）引力波，其波長可達光年量級，這一尺度甚至遠遠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射器。

超大質量黑洞，長這樣（圖：eso.org）▼

可是，雖然天文學家只蝸居于地球，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實世界的束縛。

天文學家扶了扶眼鏡說，問題不大，銀河系里天然就有可以承擔這一功能的“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

脈沖星是大質量恒星演化到晚期的一類產物，它的本質是一顆高速旋轉的中子星。它的奇特之處在于，由于自轉非常穩定，它始終以固定的頻率發出射電脈沖。如果脈沖方向剛好對準地球，就會被FAST這樣的射電望遠鏡觀測到。

當引力波掃過銀河系，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生改變，如同水面的紙船因水波發生晃動一樣。

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（圖：Wiki）▼

當然，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。假如遠在銀河系不同方向的一群脈沖星，都包含著某種具有相關性的信號，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年就已經提出了。這種天馬行空的奇思妙想，是在挑戰人類的測量極限，畢竟納赫茲引力波的信號實在是太微弱了。

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數年。我們需要對脈沖星進行很多年的持續觀測，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。

脈沖星計時陣列示意圖

綠色網格代表受引力波影響而抖動的時空▼

數十年來，國際上多個團隊已經開始了賽跑，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鏡開展脈沖星陣列的觀測，前后已經積累近20年數據。

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年的試運行階段，我們的團隊（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鏡，FAST靈敏度和精度更高，并且可監測脈沖星數量更多，成了我們的最強助力。

除了硬件給力外，我們的團隊獨立自主地開發數據處理軟件，進行算法優化。

最終，依靠3年5個月時間內對57顆毫秒脈沖星進行系統監測的數據，我們在4.6個標準差的置信度水平（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號的證據。

“中國天眼”是搜尋脈沖星的利器

（圖：圖蟲創意）▼

今年6月28日，我們和國際上其他4個團隊共同發布了此次納赫茲引力波觀測的結果。

值得期待的是，隨著觀測時間繼續延長，我們將在未來幾年快速且大幅地超越國際同行，實現從晚起步，到比肩，再到領跑。到時候，本次納赫茲引力波信號的具體來源（目前的數據尚不足以確認）或將由我們來揭曉。

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的“原初引力波”。這一理論預言，原初引力波會使宇宙微波背景輻射（CMB）產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，當人們嘆服于相對論時，愛因斯坦自己卻認為人類永遠不可能探測到引力波。可后世科學家不僅做到了，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。但智慧生物仍執著地試圖打破這一切，妄圖掌握物理規律，洞察宇宙，如同盜取天火。

面對茫茫星海，人類試圖參透天機

（圖：NASA）▼

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

如果今天也有一個阿基米德式的宣言，那么天文學家會說：“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。”——這是真正的“天籟”。

最后，讓我們繼續期待——“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隊發表納赫茲引力波觀測證據論文原文：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1674-4527/acdfa5/pdf

2. 【中國科學院國家天文臺】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）網址：https://www.ligo.caltech.edu/

4. 中山大學天琴中心網址：https://tianqin.sysu.edu.cn/

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

*本文內容為作者提供，不代表地球知識局立場

END

原標題：《中國天眼，有一個重大發現！》

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