中國天文學(xué)的后來居上：納赫茲引力波探測 | 袁嵐峰

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導(dǎo)讀：中國團(tuán)隊(duì)面對(duì)觀測時(shí)間遠(yuǎn)低于美、歐、澳三個(gè)團(tuán)隊(duì)的劣勢，充分發(fā)揮FAST靈敏度高、可監(jiān)測脈沖星數(shù)目多、測量精度高的優(yōu)勢，彌補(bǔ)了時(shí)間跨度上的差距，使我國納赫茲引力波探測靈敏度很快達(dá)到了與美、歐、澳相當(dāng)?shù)乃健Ｒ院箅S著觀測時(shí)間的積累，中國的優(yōu)勢會(huì)更明顯。

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最近，全世界天文學(xué)最轟動(dòng)的成果之一是，探測到了納赫茲引力波存在的證據(jù)。這是個(gè)很多國家參與的國際合作項(xiàng)目，而中國是其中資歷最淺的一個(gè)：其他國家觀測時(shí)間最長的接近30年，中國卻只有三年多。開玩笑地說，中國是個(gè)“練習(xí)時(shí)長兩年半”的練習(xí)生。但奇妙的是，中國這個(gè)小老弟得到的結(jié)論卻是最強(qiáng)的，對(duì)納赫茲引力波相關(guān)性的確定程度是所有國家中最高的，所以我們稱得上后來居上，彎道超車。

CPTA基于FAST給出納赫茲引力波存在的證據(jù)

納赫茲引力波是什么意思？這東西為什么重要？中國為什么能夠后來居上？我的同事和朋友、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文學(xué)系教授袁業(yè)飛博士以及中國相關(guān)項(xiàng)目首席科學(xué)家、中國科學(xué)院國家天文臺(tái)兼北京大學(xué)研究員李柯伽博士為此寫了一篇文章介紹，下面，我就來基于這篇文章，向大家解讀這些問題。

其實(shí)，大多數(shù)人聽到“納赫茲”和“引力波”這兩個(gè)詞恐怕都是懵的，更不用說兩者連在一塊了。所以，我們首先來解釋一下引力波。

一個(gè)很好的出發(fā)點(diǎn)是電磁波，大家對(duì)電磁波都很熟悉，它是現(xiàn)代很多技術(shù)的基礎(chǔ)，例如電話、雷達(dá)、衛(wèi)星導(dǎo)航。電磁波是怎么產(chǎn)生的呢？根據(jù)麥克斯韋的電磁理論，任何電荷的變速運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生電磁波，請(qǐng)注意是變速運(yùn)動(dòng)，勻速運(yùn)動(dòng)不行。電磁波以光速傳播，傳到哪里就讓哪里產(chǎn)生振蕩的電磁場。我們根據(jù)這種電磁場的電磁效應(yīng)，就能探測電磁波。

電磁波

有了這個(gè)基礎(chǔ)，就容易理解引力波了。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，任何有質(zhì)量的物體的變速運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生引力波，同樣需要是變速運(yùn)動(dòng)，勻速運(yùn)動(dòng)不行（其實(shí)還有些條件，如這個(gè)物體不能是球?qū)ΨQ的，不過這對(duì)我們當(dāng)前的定性描述來說并不重要）。引力波同樣是以光速傳播，傳到哪里就讓哪里產(chǎn)生……產(chǎn)生什么呢？

廣義相對(duì)論認(rèn)為，時(shí)空是一個(gè)整體，而且它是可以彎曲的，可以定義時(shí)空的曲率，引力本質(zhì)上就是時(shí)空彎曲的效應(yīng)。因此，引力波傳到哪里，就讓哪里的時(shí)空變得彎曲，而且這個(gè)時(shí)空彎曲程度是振蕩的。

質(zhì)量導(dǎo)致時(shí)空彎曲

一個(gè)常用的比喻是：時(shí)空好比舞臺(tái)，物質(zhì)好比舞臺(tái)上的演員。普通的波，例如水波、聲波、電磁波，都是演員在運(yùn)動(dòng)，舞臺(tái)不動(dòng)。而引力波，是舞臺(tái)本身的運(yùn)動(dòng)。如果你了解這一點(diǎn)，你的知識(shí)水平就超過了90%的人。所以我們經(jīng)常把引力波稱為時(shí)空的漣漪，其實(shí)把它稱為時(shí)空波也許會(huì)更容易理解。

具體而言，引力波的可觀測效應(yīng)是什么呢？它有兩種振動(dòng)模式，分別叫做+模式和x模式，如圖所示。

引力波是橫波，它有兩種偏振模式：+模式和x模式。圖中黑色點(diǎn)代表自由的質(zhì)點(diǎn)。

這兩種模式都會(huì)使相互垂直的兩個(gè)方向上的距離一個(gè)增加，另一個(gè)同時(shí)減少。例如圖中+模式的相位為π/2時(shí)，就是在垂直方向拉長，在水平方向壓縮，而相位為3π/2時(shí)就反過來，在水平方向拉長，在垂直方向壓縮。

好比你在兩面哈哈鏡之間穿梭，一面哈哈鏡把你變成一個(gè)拉長的瘦子，另一面哈哈鏡把你變成一個(gè)壓縮的胖子。這兩種變形就是引力波的效果，而你在這兩種變形之間循環(huán)往復(fù)的速度就是引力波的頻率。

如果我們?cè)诖怪庇谝Σǖ膫鞑シ较虿贾靡恍┳杂傻馁|(zhì)點(diǎn)，當(dāng)引力波到達(dá)的時(shí)候，這些質(zhì)點(diǎn)之間的距離就會(huì)發(fā)生振蕩。我們就是利用這種效應(yīng)來探測引力波的，所以簡單來說，引力波探測器就是高精度的距離測量儀器。

例如2015年首次探測到引力波的激光干涉引力波天文臺(tái)（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，簡稱LIGO），它探測到的信號(hào)就是一個(gè)10的-21次方量級(jí)的距離變化比例，即4公里長的干涉臂伸長或縮短10的-18次方米的長度。10的-18次方米是什么概念？只有一個(gè)原子核半徑的千分之一而已！驚人的是，這樣微小的變化居然是可以探測到的，這是當(dāng)代科技的偉大勝利。

LIGO

上面我們解釋了引力波，下面再來解釋納赫茲，這指的是引力波的頻率。有些波例如聲波只會(huì)出現(xiàn)在一個(gè)比較窄的頻段，太高頻不行，太低頻也不行。而引力波不是這樣，它的頻譜很寬，幾乎任何頻率都可以出現(xiàn)，這一點(diǎn)跟電磁波類似。

電磁波譜

LIGO能夠探測的引力波，頻率在1至100 Hz之間，這個(gè)頻段的引力波主要是由超新星爆炸、伽馬暴、雙中子星、雙恒星級(jí)黑洞以及中子星-恒星級(jí)黑洞系統(tǒng)的并合產(chǎn)生的。人類還在嘗試把引力波探測器放到太空去，例如中國的太極計(jì)劃和天琴計(jì)劃，它們的探測范圍是0.001至0.1 Hz，這個(gè)頻段的引力波源主要有雙白矮星系統(tǒng)以及雙中等質(zhì)量黑洞系統(tǒng)，其中黑洞的特征質(zhì)量約為百萬太陽質(zhì)量。以上這些都不是納赫茲引力波，納赫茲指的是10的-9次方赫茲。

太極計(jì)劃

天琴計(jì)劃

什么樣的來源會(huì)形成納赫茲引力波呢？隨著星系不斷合并，星系中心的超大質(zhì)量黑洞（即質(zhì)量約為10億倍太陽質(zhì)量的黑洞）也會(huì)形成雙星系統(tǒng)，它們產(chǎn)生的是納赫茲引力波。

下面我們來理解一下納赫茲引力波的性質(zhì)。納赫茲就是10的-9次方赫茲，它的周期就是這個(gè)頻率的倒數(shù)10的9次方秒即10億秒，約等于32年。用光速除以頻率，得到納赫茲引力波的波長在10的17次方米的量級(jí)，大約為一光年至幾十光年。

一光年就是光走一年經(jīng)過的距離，約為9.4607 × 1015米，這是一個(gè)巨大的長度。作為比較，太陽到最近的恒星比鄰星（即《三體》的原型）的距離大約是4光年，而太陽到地球的距離（即一個(gè)天文單位）大約是1.5億公里，只有6千萬分之一光年。如果要直接探測納赫茲引力波，就需要建造一個(gè)長度達(dá)到光年量級(jí)的探測器，這顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人類當(dāng)前的能力，——我們現(xiàn)在連太陽系都出不了呢！

太陽最近的鄰居

然而奇妙的是，我們?nèi)匀挥修k法去探測納赫茲引力波，而且目前只有一種辦法。這種辦法叫做脈沖星測時(shí)陣列（Pulsar Timing Array，簡稱 PTA），下面我們來介紹。

脈沖星的意思是，它會(huì)發(fā)出具有穩(wěn)定周期的脈沖信號(hào)。這種脈沖信號(hào)是如此的穩(wěn)定，堪比目前實(shí)驗(yàn)室中最精確的計(jì)時(shí)裝置“原子鐘”，所以我們經(jīng)常把脈沖星比作宇宙中的信標(biāo)和燈塔。

前面我們提到引力波有兩種振動(dòng)模式，這兩種模式都會(huì)使相互垂直的兩個(gè)方向上的距離一個(gè)伸長，一個(gè)縮短，從而導(dǎo)致脈沖星的脈沖到達(dá)地球的時(shí)間發(fā)生改變。1983年，加州理工大學(xué)的兩位科學(xué)家Ronald W. Hellings與George S. Downs提出，假設(shè)納赫茲引力波是隨機(jī)的，各個(gè)方向都有，假設(shè)兩種偏振模式的疊加也是隨機(jī)的，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)平均，就可以預(yù)測一對(duì)脈沖星的信號(hào)到達(dá)時(shí)間的相關(guān)性與它們?cè)谔烨蛎嫔系膴A角的函數(shù)關(guān)系是如圖所示的一條曲線。這叫做Hellings-Downs曲線，簡稱HD曲線。通過脈沖星測時(shí)陣列，可以測量這條曲線。如果結(jié)果與HD曲線吻合，就說明存在納赫茲引力波。

Hellings-Downs曲線。橫坐標(biāo)是一對(duì)脈沖星在天球面上的夾角（θ），縱坐標(biāo)是兩個(gè)脈沖星到達(dá)時(shí)間的相關(guān)系數(shù)。如果引力波的確存在+和x兩種偏振模式，則PTA測量到的脈沖到達(dá)時(shí)間的相關(guān)系數(shù)隨著它們之間夾角（θ）的變化就是HD曲線。來自：Jenet, F.A. & Romano, J.D. 2015, Am. J. Phys. 83, 635

現(xiàn)在，終于輪到中國團(tuán)隊(duì)出場了。它叫做中國脈沖星測時(shí)陣列（Chinese Pulsar Timing Array，簡稱CPTA），跟歐洲EPTA-印度InPTA、北美NANOGRAV和澳大利亞PPTA等合作，一起在6月29日左右宣布了發(fā)現(xiàn)納赫茲引力波。區(qū)別在于，其他三個(gè)團(tuán)隊(duì)的置信度最高為4個(gè)σ（即標(biāo)準(zhǔn)偏差），而中國團(tuán)隊(duì)的置信度是4.6個(gè)σ，比它們都高，4.6個(gè)σ意味著誤報(bào)率小于50萬分之一。反過來，其他三個(gè)團(tuán)隊(duì)的數(shù)據(jù)積累時(shí)間為15至25年，中國團(tuán)隊(duì)只有3年5個(gè)月。

CPTA圖標(biāo)

為什么中國能后發(fā)先至？這要?dú)w功于“中國天眼”，即500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，簡稱FAST）。它是全世界最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，在某些波段具有最高的靈敏度，因此具有最強(qiáng)的探測脈沖星的能力。

FAST夜景

CPTA長期監(jiān)測了57顆毫秒脈沖星，其中17顆是孤立的，40顆是雙星系統(tǒng)。這57顆脈沖星在天球面上的分布很廣，適合做納赫茲引力波背景的觀測。得益于FAST的高靈敏度，F(xiàn)AST的脈沖星測時(shí)精度非常高，57顆脈沖星中55顆的測時(shí)精度達(dá)到了200納秒，其中35顆的測時(shí)精度更是小于100納秒。與目前其他國家的最高水平相比，CPTA的測時(shí)精度提高到了4-50倍之多！

所以基本狀況就是，中國團(tuán)隊(duì)面對(duì)觀測時(shí)間遠(yuǎn)低于美、歐、澳三個(gè)團(tuán)隊(duì)的劣勢，充分發(fā)揮FAST靈敏度高、可監(jiān)測脈沖星數(shù)目多、測量精度高的優(yōu)勢，彌補(bǔ)了時(shí)間跨度上的差距，使我國納赫茲引力波探測靈敏度很快達(dá)到了與美、歐、澳相當(dāng)?shù)乃健Ｒ院箅S著觀測時(shí)間的積累，中國的優(yōu)勢會(huì)更明顯。例如再觀測3年5個(gè)月，中國團(tuán)隊(duì)的數(shù)據(jù)會(huì)翻倍，而其他團(tuán)隊(duì)只會(huì)增加不到20%。

那么，CPTA測量到的信號(hào)是否真的來源于納赫茲引力波呢？判據(jù)就是，各個(gè)脈沖星對(duì)的相關(guān)系數(shù)與它們之間在天球面上的夾角（θ）之間的關(guān)系是否符合HD曲線。CPTA的結(jié)果如圖所示，其中紅色曲線為HD曲線，紅點(diǎn)是 CPTA觀測到的每對(duì)脈沖星之間的相關(guān)系數(shù)，藍(lán)色帶有誤差棒的曲線是紅色點(diǎn)平均后的結(jié)果。

測量到的相關(guān)系數(shù)隨著兩個(gè)脈沖星之間角度的函數(shù)關(guān)系。紅色點(diǎn)表示測量到的所有脈沖星對(duì)之間的相關(guān)系數(shù)。藍(lán)色曲線代表分區(qū)紅色點(diǎn)的平均值，紅色曲線為理論的HD曲線。從左到右每一幅子圖代表引力波的頻率分別為f = 1/T，1.5/T以及2/T的結(jié)果，其中T為觀測時(shí)長

可以看到，兩者存在明顯的相關(guān)。因此，我們比較確信CPTA測到的信號(hào)來源于納赫茲引力波背景，確信的程度在各個(gè)國際合作組中最高。用發(fā)展的眼光看，隨著數(shù)據(jù)的積累，CPTA在國際合作中的貢獻(xiàn)會(huì)迅速提高，將來為人類做出主導(dǎo)性的貢獻(xiàn)。

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作者簡介：袁嵐峰，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心副研究員，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技傳播系副主任，中國科學(xué)院科學(xué)傳播研究中心副主任，科技與戰(zhàn)略風(fēng)云學(xué)會(huì)會(huì)長，“科技袁人”節(jié)目主講人，安徽省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)常務(wù)委員，中國青少年新媒體協(xié)會(huì)常務(wù)理事，中國科普作家協(xié)會(huì)理事，入選“典贊·2018科普中國”十大科學(xué)傳播人物。

來源: 風(fēng)云際會(huì)（合肥）文化傳播有限公司

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