近日，由中國科學院國家天文臺等單位科研人員組成的中國脈沖星測時陣列（CPTA）研究團隊利用中國天眼FAST，探測到納赫茲引力波存在的關鍵性證據，表明我國納赫茲引力波研究與國際同步達到領先水平。相關論文6月29日在我國天文學術期刊《天文與天體物理學研究》（RAA）在線發表。納赫茲引力波是引力波的一種，而引力波是由加速運動的有質量物體擾動周圍的時空而產生時空的漣漪。對頻率低至納赫茲的引力波進行探測，將有助于天文學家理解宇宙結構的起源，探測宇宙中最大質量的天體即超大質量黑洞的增長、演化及并合過程，也有助于物理學家洞察時空的基本物理原理。在此次研究中，CPTA團隊利用FAST對57顆毫秒脈沖星進行了長期系統性監測，并將這些毫秒脈沖星組成了銀河系尺度大小的引力波探測器來搜尋納赫茲引力波。該團隊基于獨立開發的軟件，對 FAST收集的時間跨度3年5個月的數據進行分析研究，在4.6西格瑪置信度水平（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。引力波信號極其微弱，卻是探測宇宙中不發光物質的直接手段，探測引力波并且開辟引力波觀測宇宙的新窗口是天文學家長期以來追求的目標。20世紀70至80年代，引力波的存在通過觀測脈沖雙星系統的軌道變化得以間接證實，并獲得了1993年諾貝爾物理學獎。2016年，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）宣布在百赫茲頻段探測到恒星級質量雙黑洞并合產生的引力波，并因此獲得2017年諾貝爾物理學獎。更大質量的天體產生的引力波頻率更低。例如，宇宙中質量最大的天體，星系中心的超大質量雙黑洞系統（億到千億倍太陽質量）繞轉產生的引力波主要集中在納赫茲頻段，相應的信號時標為年到幾十年。在這個頻段內，還有宇宙早期原初引力波殘存至今的部分和宇宙弦等奇異對象產生的引力波。開辟納赫茲引力波探測宇宙的新窗口對于理解超大質量黑洞、星系并合歷史、宇宙大尺度結構形成等問題具有重要意義。納赫茲引力波由于頻率極低、周期長達數年，其波長可達數光年，對它的探測十分具有挑戰性。利用大型射電望遠鏡對一批自轉極其規律的毫秒脈沖星進行長期測時觀測，是納赫茲引力波目前已知的唯一探測手段。發現納赫茲引力波是國際物理和天文領域競賽的焦點之一。國際上，北美NANOGrav、歐洲EPTA、澳大利亞PPTA利用各自的大型射電望遠鏡，已分別開展了長達20年的納赫茲引力波搜尋。近幾年，印度脈沖星測時陣列（InPTA）和南非脈沖星測時陣列（SAPTA）也加入了這一激烈的競爭。中國脈沖星測時陣列（CPTA）于2019年開始依托FAST進行納赫茲引力波探測。此次，國際上其他脈沖星測時陣列合作組，包括EPTA-InPTA、NANOGrav和PPTA也將和中國科學院國家天文臺同一天宣布相類似的結果。脈沖星測時陣探測納赫茲引力波的靈敏度強烈依賴于觀測時間跨度，即靈敏度隨著觀測時間跨度的增長而迅速增加。CPTA研究團隊面對觀測時間跨度遠短于美、歐、澳三個國際團隊的局面，充分利用FAST靈敏度高、可監測脈沖星數目多、測量精度更高的優勢，長期系統地監測了一大批毫秒脈沖星，自主開發獨立數據分析軟件，以數據精度、脈沖星數量和數據處理算法上的優勢彌補了時間跨度上的差距，使我國納赫茲引力波探測靈敏度很快達到了與美、歐、澳相當的水平，從而同時實現此次重大科學突破。NANOGrav、EPTA-InPTA、PPTA數據積累時間為15~25年，CPTA為3年5個月；具有納赫茲引力波特征的四極相關信號的置信度，其他3個團隊最高為4σ（σ為觀測結果的置信度，數值越大置信度越高），而CPTA為4.6σ。不過，受限于當前觀測數據較短的時間跨度，CPTA團隊暫時無法確定納赫茲波段引力波的主要物理來源，但這將隨著后續觀測數據時間跨度的增加而解決。同時，由于CPTA現有數據時間跨度較短，未來數據時間跨度增長帶來的效果會更明顯。例如，如果數據時間跨度再增長3年5個月，CPTA的數據時間跨度將翻倍，而其他國際團隊僅增長不到20%。我國最早在2002年開展了初步的脈沖星測時陣前期調研。2016年6月，中國科學院對納赫茲引力波探測研究進行了前瞻、戰略和系統布局， 部署了“多波段引力波宇宙研究”戰略性先導科技專項（B類），聯合國內北京大學，中國科學院新疆天文臺、云南天文臺、上海天文臺、國家授時中心，廣州大學等多家相關單位組建了中國脈沖星測時陣列研究團隊，為利用FAST探測納赫茲引力波開展科學和技術預研。2019年6月成立FAST科學委員會，進一步凝練原創突破目標，整合全國最優秀青年科技力量，依托FAST組織開展體系化、建制化科研攻關，通過遴選評議設立了中國脈沖星測時陣列優先和重大項目，提供觀測時間，加快開展納赫茲引力波探測協同攻關。由于觀測數據積累的時間跨度對探測納赫茲引力波非常重要，2019年9月，FAST還處于調試階段，CPTA團隊就聯合FAST調試工作組開始試觀測，盡可能早地為探測納赫茲引力波積累觀測數據。此外，2020年科技部通過平方公里陣列射電望遠鏡（SKA）專項部署了“脈沖星測時和檢驗引力理論”科研任務，利用FAST等國內射電望遠鏡組成望遠鏡陣列，開展陣列望遠鏡脈沖星測時和納赫茲引力波探測的預先研究。2020年國家自然科學基金委通過FAST專項重點群部署了“基于FAST的脈沖星前沿物理問題研究”，開展脈沖星物理特性和測時噪聲研究，進一步提高脈沖星測時精度。后續，中國科學院國家天文臺將充分發揮FAST脈沖星測時精度國際領先優勢，加快納赫茲引力波探測科研攻關，積累更長期的觀測數據，逐步發表更高精度的探測結果，推進國際脈沖星測時陣列合作，拓展提升FAST性能，打開人類利用納赫茲引力波探測宇宙的新窗口。FAST探測到納赫茲引力波存在的關鍵性證據示意圖