科技观察|重大研究突破!中国天眼FAST探测到纳赫兹引力波存在证据

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封面新闻 2023-06-29 11:51 78060

封面新闻记者 边雪

在人类探索宇宙道路上,引力波曾被英国天文物理学家斯蒂芬·威廉·霍金(Stephen William Hawking)称之为“具有使天文学起革命性变化能力”的观测宇宙新方式。

近日,封面新闻记者从中国科学院(中科院)国家天文台获悉,由中科院国家天文台等单位科研人员组成的中国脉冲星测时阵列研究团队,利用中国天眼FAST,探测到纳赫兹引力波存在的关键性证据,表明我国纳赫兹引力波研究与国际同步达到领先水平。

    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 )

纳赫兹引力波是引力波的一种,是宇宙中一种极低频扰动,其频率为10的负9次方赫兹。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,对它的探测十分具有挑战性。

值得注意的是,利用类似于我国的500米口径球面射电望远镜FAST这种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已知的唯一探测手段。相关研究成果于6月29日,在我国天文学术期刊《天文与天体物理研究》在线发表。

纳赫兹引力波探测:误报率小于五十万分之一

据中国科学院国家天文台研究员、北京大学研究员李柯伽介绍,实际上真正的引力波探测器是那些脉冲星,科研人员用大型的望远镜就是去读这些脉冲星的信号,把这些脉冲星作为一个非常标准的“钟”在用,读这些“钟”的信号,来获取时间,来判断空间怎么样受到了引力波的影响。

在此次研究工作中,中国脉冲星测时阵列研究团队利用FAST对银河系中的57颗毫秒脉冲星进行了长期系统性监测,将这些毫秒脉冲星组成了一个银河系尺度大小的探测器来搜寻纳赫兹引力波。

据了解,该团队充分利用FAST灵敏度高、可监测脉冲星数量多、测量精度更高的优势,基于自主开发的软件,对FAST收集的时间跨度为3年5个月的数据进行了分析研究。在误报率小于五十万分之一的前提下,发现了纳赫兹引力波存在的证据。

“纳赫兹引力波主要是为人类打开了观测宇宙的一个重要‘窗口’,肯定会有许多物理上的重大发现。用纳赫兹引力波,科研人员可以研究宇宙的超大质量天体,像黑洞、超大质量黑洞,星系的形成、演化、合并,还有宇宙早期的结构等。这些都是天体物理的重大科学问题。”据中国科学院院士、中国科学院国家天文台台长常进介绍,证据就是脉冲星到达的时间,由于纳赫兹引力波产生的时空涟漪,产生的这个晃动。脉冲星角度的一个变化,这是纳赫兹引力波存在的一个重要的依据。他们看到了这种变化。

    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)

引力波探测征途 对人类探索宇宙意义深远

引力波也称重力波,是由加速运动的有质量物体扰动周围的时空而产生的时空涟漪,虽然信号极其微弱,但却是一种全新的探测宇宙方式,更是探测宇宙中不发光物质的直接手段。

探测引力波并且开辟引力波观测宇宙的新窗口是天文学家长期以来追求的目标,并且对人类探索宇宙意义深远。

1916年,爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。如同电荷被加速时会发出电磁辐射,同样有质量的物体被加速时就会发出引力辐射,这是广义相对论的一项重要预言。

具体而言,引力波与流体力学中的重力波很相似,当液体表面或内部液团由于密度差异离开原来位置,在重力(gravityforce)和浮力(buoyancyforce)的综合作用下,液团会处于上下振动以达到平衡的状态,即产生波动。而引力波则是由于空间质量和速度的变化导致空间产生的波动。

2016年2月11日,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)宣布在百赫兹频段探测到恒星级质量双黑洞并合产生的引力波,并因此获得了2017年诺贝尔物理学奖。

美国激光干涉引力波天文台(LIGO)负责人、加州理工学院教授DavidReitze表示,引力波产生于两个恒星量级黑洞的合并(merger),当两个黑洞于约13亿年前碰撞,两个巨大质量结合所传送出的扰动,于2015年9月14日抵达地球,被地球上的精密仪器侦测到,并证实了爱因斯坦100年前所做的预测。

值得注意的是,更大质量的天体产生的引力波频率更低。例如,宇宙中质量最大的天体,星系中心的超大质量双黑洞系统绕转产生的引力波主要集中在纳赫兹频段。在这个频段内,甚至还有宇宙早期原初引力波残存至今的部分和宇宙弦产生的引力波。

几十年来,各国天文学家一直在为探测神秘的引力波而努力。发现纳赫兹引力波更是国际物理和天文领域竞赛的焦点之一。美国、欧洲、澳大利亚,利用各自的大型射电望远镜,已分别开展了长达20年的纳赫兹引力波搜寻。

近年来,中国、印度、南非等国也逐渐开展纳赫兹引力波的探测研究。

封面新闻记者梳理发现,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系统布局,部署了“多波段引力波宇宙研究”战略性先导科技专项,2019年9月,中国天眼FAST还处于调试阶段,中国脉冲星测时阵列研究团队就联合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。

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。

未来,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。中国科学院院士、中国科学院国家天文台台长常进也表示,他们将进一步围绕纳赫兹引力波,开辟纳赫兹引力波天文学这个新的科学方向,并继续保持我国在低频射电天文学方面的国际领先地位。

评论 17

  • 剑阁县公安局驻杨村镇柏梓村第一 2024-02-19 发表于四川

  • 嘉州援彝胡敏洪 2023-07-31 发表于四川

    引力波探测征途!

  • 说个正事 2023-07-07 发表于四川

    厉害呀我的国👍

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