中国天眼发现纳赫兹引力波存在的关键性证据(科技自立自强)


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国际上,北美纳赫兹引力波天文台、欧洲脉冲星测时阵列、澳大利亚帕克斯脉冲星测时阵列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。近期一些新生力量也逐渐加入这一领域,包括中国脉冲星测时阵列、印度脉冲星测时阵列和南非脉冲星测时阵列。

在此次研究中,科研团队利用中国天眼对57颗毫秒脉冲星进行了长期系统性监测,并将这些毫秒脉冲星组成了银河系尺度大小的引力波探测器来搜寻纳赫兹引力波。基于独立开发的软件,科研人员对中国天眼收集的时间跨度达3年5个月的数据进行分析研究,在4.6西格玛置信度水平(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。

脉冲星测时阵列探测纳赫兹引力波的灵敏度强烈依赖于观测时间跨度——即灵敏度随着观测时间跨度的增长而迅速增加。

面对观测时间跨度远短于美、欧、澳3个国际团队的不利局面,研究团队充分利用中国天眼灵敏度高、可监测脉冲星数目多、测量精度更高的优势,长期系统地监测了一大批毫秒脉冲星,自主开发独立数据分析软件,以数据精度、脉冲星数量和数据处理算法上的优势弥补了时间跨度上的不足,使我国纳赫兹引力波探测灵敏度很快达到了与美、欧、澳相当的水平,从而实现此次重大科学突破。不过,受限于当前观测数据较短的时间跨度,团队暂时无法确定纳赫兹波段引力波的主要物理来源。

“但这将随着后续观测数据时间跨度的增长而解决。”李柯伽说,“由于我们团队现有数据时间跨度较短,所以数据时间跨度增长带来的效果会更明显,例如,如果数据时间跨度再增长3年5个月,我们的数据时间跨度将翻番,而其他国际团队仅增长不到20%。”

打开一个全新窗口

中国科学院院士蔡荣根说:“此次中国脉冲星测时阵列研究团队的结果与超大质量的双黑洞系统的理论预期一致。特别重要的是,团队发现在4.6个标准偏差范围内信号中四极矩关联的存在性。”

蔡荣根告诉记者,通过数据的进一步积累,下一步的关键问题是去确定引力波谱指数。“如果引力波谱指数是-2/3,则可以肯定探测到的引力波源是超大质量双黑洞系统,这是首次观测到宇宙中存在这样的超大质量双星系统,对理解这些双星系统的形成和演化具有重要意义。另外,除了超大质量的双黑洞系统,理论研究表明还有丰富的物理过程会产生纳赫兹频段的引力波,如宇宙弦、宇宙学相变、宇宙暴胀时期曲率涨落引起的随机引力波等。要区分这些物理过程,其关键是确定引力波谱指数。”

北京大学讲习教授何子山说:“产生纳赫兹引力波是超大质量黑洞并合的独有预言。这个期待已久的预言,终于被中国脉冲星测时阵列研究团队通过中国天眼获得了观测证据。这是一项重大的科学突破,具有持久的巨大意义。它不仅对星系演化和超大质量黑洞研究的广泛领域具有深远影响,而且为引力波天体物理学打开了一个全新的窗口。”

后续,中国科学院国家天文台将充分发挥中国天眼脉冲星测时精度国际领先优势,加快纳赫兹引力波探测科研攻关,积累更长期的观测数据,逐步发表更高精度的探测结果,助力打开利用纳赫兹引力波探测宇宙的新窗口。

中国科学院国家天文台台长、中国科学院院士常进说:“国家天文台还将积极推进中国天眼拓展和升级,基于脉冲星测时阵列方法,实现纳赫兹引力波事件的常规观测,从而建成纳赫兹引力波天文台,并开启更高灵敏度和更高分辨率的低频射电观测研究新纪元,将我国加快建设成为引力波天文和射电天文强国。”

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