作出一個世界級的發(fā)現，分幾步？

近日，“再獲世界級發(fā)現！中國天眼‘看見’納赫茲引力波蹤影”的消息刷屏。這被認為是中國科學院國家天文臺（簡稱“國家天文臺”）等科研機構近期最重磅的研究成果之一。

為什么說是世界級的發(fā)現？什么是納赫茲引力波？它有什么用？它是如何被發(fā)現的……

為看懂這一最新研究成果，近日，澎湃科技專訪了相關論文的第一作者、國家天文臺助理研究員、“90后”胥恒博士。

赫茲是每秒時間內發(fā)生某一周期性事件的次數。百赫茲意味著每秒內發(fā)生百次，納赫茲意味著每秒內發(fā)生10^-9次（十億分之一次），相當于大約31年才發(fā)生一次該事件。

胥恒向澎湃科技表示，納赫茲引力波是低頻引力波，在10^-9赫茲量級。它的周期非常長，可能數年甚至數十年才“走完”一個周期。引力波攜帶了來自宇宙天體的許多重要的信息，但探測引力波又非常難，逼近現有技術能力的極限。人類目前每一次探測到引力波，都被認為是了不起的成就。此前關于引力波的探測和研究已經兩次獲得諾貝爾獎。 

納赫茲引力波論文的通訊作者國家天文臺/北京大學研究員李柯伽。中國科學院國家天文臺 圖

一個銀河系大小的、飛在太空中的探測器——脈沖星測時陣列、一臺極其靈敏的射電望遠鏡——“中國天眼”FAST（ 500米口徑球面射電望遠鏡）、一群執(zhí)著于探索星空和宇宙奧秘的科學家，可能是中國科學家在納赫茲引力波領域取得突破的關鍵。

胥恒表示，這次對納赫茲引力波的探測，是“0到1”的發(fā)現。但現在還不能說是直接看見了納赫茲引力波。目前，第一階段的研究已基本完成，第二階段的研究要著手提高結果精度，并從引力波中提取信息。

相關論文6月29日在線發(fā)表在國家天文臺創(chuàng)辦的國際學術期刊《天文與天體物理研究》（RAA，Research in Astronomy and Astrophysics）上。該論文的通訊作者是國家天文臺/北京大學研究員李柯伽。

胥恒表示，這一重要成果的論文發(fā)在國內的期刊，是希望能夠支持國產學術期刊的發(fā)展。國外其他三個國際團隊也按照約定，同一時間在不同期刊上各自獨立發(fā)表了類似結果的論文。

納赫茲引力波論文的第一作者、國家天文臺助理研究員、“90后”胥恒博士。中國科學院國家天文臺 圖

為什么說是世界級發(fā)現：探秘宇宙的新波段

“我們研究納赫茲引力波的首要目的，其實不是預警黑洞或者探測暗物質，從全人類的角度來說，探測引力波本身就是一個很重要的能力，也是很重要的突破。”胥恒說。

天文學是對超乎人們想象的極遙遠世界的觀測和構想。當時空被擾動，就產生了引力波。它是“漣漪”，對四面八方都產生著影響，并在穿越廣闊的宇宙空間時發(fā)生衰減。它由加速運動的有質量物體擾動周圍的時空而產生，并以引力輻射的形式傳輸。

胥恒向澎湃科技表示，100多年前，愛因斯坦發(fā)表廣義相對論并預言引力波的存在，但他自己都不相信能測到引力波，因為信號太弱了。然而這并不影響科學家對引力波的研究熱情，因為它實在是太重要了。

科學家對引力波的探測已經兩次獲得諾貝爾獎。引力波探測第一次獲得諾貝爾獎，是美國科學家新澤西州普林斯頓大學的拉塞爾·赫爾斯（Russell A.Hulse)和小約瑟夫·泰勒（Joseph H. Taylor Jr. )在上個世紀七八十年代通過觀測脈沖雙星的辦法，間接證明引力波是存在的，兩人也因此獲得了1993年諾貝爾物理學獎；2015年，美國的兩臺引力波探測器LIGO（激光干涉引力波觀測臺）設施直接探測到百赫茲頻段的高頻引力波。因此，美國科學家雷納·韋斯（Rainer Weiss）、巴里·巴里什（Barry C.Barish）和基普·索恩（Kip S.Thorne）獲得了2017年的諾貝爾物理學獎。

“這次我們是在納赫茲頻段，測到了（納赫茲）引力波存在的證據。這確實是物理學上一個非常重大的進展。”胥恒說。

宇宙中質量最大的天體，比如星系中心的上億到千億倍太陽質量的超大質量雙黑洞系統(tǒng)繞轉產生的引力波，主要集中在納赫茲頻段。胥恒介紹，“我們現在探測到的其實的是引力波背景——即無數個納赫茲引力波疊加起來的背景。”中國科學院國家天文臺 圖

他表示，“其實引力波攜帶了很多天體物理的信號，探測到引力波之后，你就可以研究這些天體物理信號。比如說，高頻引力波可能是由幾十倍太陽質量的黑洞合并產生的，但納赫茲引力波這種低頻引力波可能超大質量黑洞合并而引發(fā)的，比如1億倍、10億倍、千億倍太陽質量的黑洞。通過研究這些超大質量雙黑洞的演化、并合，或許能夠推演‘星系是怎么演化、并合的’，你就能知道咱們的宇宙怎么演化的。”

換句話說，就像知過去，或許能知未來一樣，對宇宙更多奧秘的洞察，或許能揭示我們未來的命運，給我們帶來新的啟示。

2017年時，諾貝爾獎官網稱，引力波開啟了觀察宇宙新時代。“從400年前伽利略對星空的觀察到今天，我們觀測宇宙的方法發(fā)生了巨大的變化，我很期待更大的進步。” 諾貝爾獎物理學獎得主、美國加州理工學院費曼理論物理學教授基普·索恩(Kip Thorne)2017年12月在北京師范大學進行講座時表示。他同時預測，未來15至20年里，會有4種不同引力波波段的觀測窗口被打開。

納赫茲引力波是低頻波段的引力波，相比于此前LIGO探測到的高頻引力波有不同的產生機制，也攜帶著不同宇宙天體的信息。

宇宙中質量最大的天體，比如星系中心的上億到千億倍太陽質量的超大質量雙黑洞系統(tǒng)繞轉產生的引力波，主要集中在納赫茲頻段。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。

但難題是，先要有能力探測和記錄到這些引力波。

胥恒告訴澎湃科技，引力波非常難探測到，它屬于弱信號探測，抵近了人類現有技術能力的極限，也體現一個國家或民族，乃至全人類的科學技術水平。目前探測到的納赫茲引力波的幅度極小，距離上相當于1公里尺度引力波引起的擾動約為百分之一個氫原子的大小，時間上則相當于千萬年尺度上變化1秒。

胥恒表示，這種驚人的探測精度和探測能力，“確實是在往人類極限上推的。（這種測量能力）還能做蠻多事情，比如說研究銀河系的湍流，研究太陽系的動力學、測量太陽系行星質量等。”“所以，探測到納赫茲引力波是非常重要的，也是許多國際同行都正在努力的方向。”

“探測到納赫茲引力波，是‘0到1’的突破。有了這東西之后，把這個窗戶打開了，你就能往后看了，能做更多的事情，但后面有什么，我們還不知道。”胥恒說。

論文通訊作者、國家天文臺/北京大學研究員李柯伽在納赫茲引力波研究成果的新聞發(fā)布會上表示，“人類終于站在了期盼已久的納赫茲引力波觀測窗口前。”“我們利用中國自主設計和建造的大科學裝置開展原創(chuàng)性研究，成果發(fā)表在中國本土的學術期刊上，我國在這一領域與國際同步達到領先水平。”

暫時還不能說直接看見了納赫茲引力波

胥恒向澎湃科技強調，為了更嚴謹，現在還不能說直接“看見”了納赫茲引力波，而應該說是，探測到納赫茲引力波存在的“直接證據”、“關鍵性證據”。“數據精度再提高一些，就可以自信地說我們直接探測到了納赫茲引力波。要再等幾個個月，或幾年。”

據介紹，中國研究團隊基于獨立開發(fā)的軟件，對FAST收集的信號數據進行分析研究，在4.6西格瑪置信度水平上發(fā)現了具有納赫茲引力波特征的四極相關信號的證據。

胥恒告訴澎湃科技，“物理學上的黃金標準是5西格瑪（置信度水平），我們現在是4.6西格瑪，還差一點。所以，我們保守地說，探測到納赫茲引力波存在的關鍵性證據、直接證據，而非直接看見了納赫茲引力波。”“這么說會比較嚴謹一點。”“幾個獨立的國際團隊都探測到類似的信號，互相驗證了結果。”

4.6西格瑪置信度水平的誤報率已經小于五十萬分之一。這是FAST運行至今僅僅收集3年5個月的數據進行分析研究后就得出的高精度結果，且置信度水平高于歐洲、北美和澳大利亞國際同行。

胥恒表示，隨著在FAST觀測的繼續(xù)開展，數據的不斷累積，未來結果的精度將大幅提高。“我們后面還會繼續(xù)觀測，把數據時間跨度延長，探測納赫茲引力波的靈敏度會隨著時間數據長度的增加快速增加，比如數據再增加一倍，那么靈敏度會增加好幾倍。”“三年之內，（達到5西格瑪）應該是沒問題的。”

胥恒介紹，國外同行從2000年左右就開始利用其他大型射電望遠鏡，收集數據，搜尋納赫茲引力波存在的證據。“三年多的時間，我們就達到了和他們差不多的水平。”

胥恒介紹，“我們現在探測到的其實的是引力波背景——即無數個納赫茲引力波疊加起來的背景。因為引力波太弱了，很難直接測到一個單獨的引力波。”“所以大家第一步其實都是直接去探測這個背景，然后再去考慮單個引力波。”

胥恒告訴澎湃科技，“現在我們團隊花很大力氣正在做這個事情——去探測單個引力波信號。”

“中國天眼”FAST（ 500米口徑球面射電望遠鏡）。中國科學院國家天文臺 圖

銀河系大小“天然”探測器

此前人類測量引力波所使用的儀器是建造在地球上的激光干涉儀。

美國有兩臺引力波探測器LIGO設施，僅新一輪升級經費就高達數千萬美元。2019年，美國國家科學基金會（NSF）和英國研究與創(chuàng)新中心（UKRI）分別向LIGO的運營方資助2040萬美元、1410萬美元。

LIGO 全稱“激光干涉引力波觀測臺”（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory），分別建在美國華盛頓州漢福德和大約3000公里之外的路易斯安那州列文斯頓。它們于 2008 年建設完畢，于 2015 調試成功，并在當年探測到百赫茲頻段的引力波，于2016年正式公布。前述被探測到的引力波產生于兩個30～60倍太陽質量的黑洞的劇烈碰撞，距離地球13億光年。

歐洲的引力波探測器virgo全名“室女座引力波天文臺”，由法國、意大利、荷蘭、波蘭、匈牙利和西班牙6國科學家共同參與，2003年，在意大利比薩附近的小鎮(zhèn)卡希納建成。

相較于美國和歐洲工程浩大的地面引力波探測器而言，中國科學家探測納赫茲引力波的探測器飛在太空中，更巨大，更“天然”。

胥恒表示，“如果想測一下手掌的寬度，拿個尺子量就可以。高頻引力波的波長可能就幾十公里量級，在地球上建造一個數公里探測器，就能把它測到。但納赫茲引力波的波長太長了，它的周期是以年為單位，對應的波長可能達幾光年。1光年相當于9.46萬億公里。地球直徑才1萬多公里，在地面上，造不出那么大的探測器。”

那么，多大的探測器才能觀測納赫茲引力波？

胥恒說，“跨度至少有幾十光年那么大的探測器。”“所以我們就只能去宇宙里找，我們利用射電望遠鏡長時間監(jiān)測多顆自轉極其穩(wěn)定的脈沖星，組成一個陣列，這樣一個銀河系尺度大小的探測器就可以測量納赫茲引力波了。”

57顆被選中作為前述探測器的脈沖星都是毫秒脈沖星。脈沖星是大質量恒星死亡后的“遺骸”，是一種密度、磁場極高，并高速自轉，發(fā)出射電脈沖的奇異致密星體。1秒等于1000毫秒。自轉周期為1-30毫秒的脈沖星被稱為毫秒脈沖星。它發(fā)出射電脈沖信號的“走時”精準得可以與地球上最好的原子鐘相媲美。

胥恒介紹，“不是一定要57顆（脈沖星），而是把FAST能看到的測時精度比較高的脈沖星基本上都加入到脈沖星測時陣列里，以此提高脈沖星測時陣列的精度�，F階段我們數據里有57顆。”

胥恒表示，脈沖星可以存在幾千萬年，“走時”也非常準。但引力波傳過來，就把時空給擾動，導致有的脈沖星傳過來的脈沖信號延遲到達，而有的提前到，這都是極其微小的改變。但如果這些信號數據的相關性符合四極相關曲線，那么人們就可以認為這些擾動就是納赫茲引力波引起的。

胥恒表示，關于納赫茲引力波發(fā)現過程的一種形象化的描述是，FAST一直盯著太空中的57顆脈沖星，持續(xù)記錄它們傳來的脈沖信號，記錄這個“天然”探測器的“讀數”。在盯了3年5個月之后，科學家在海量的數據中，通過計算，發(fā)現了納赫茲引力波存在的關鍵證據。

如果把研究納赫茲引力波分為兩個階段，胥恒表示，第一個階段——“探測到引力波”幾乎完成了，目前要著手開始第二階段——“從納赫茲引力波里提取信息，進而深入研究宇宙”。他表示，這一過程就像從人類最初從無到有，制造出計算機，盡管那時候的計算機體型巨大、功能單一，到如今功能豐富、計算力強大的智能手機、電腦等，其間也是經歷了很長的發(fā)展時間，他們希望盡快跨越這一過程，早日完全打開通過納赫茲引力波觀測宇宙的那扇門。

國家天文臺/北京大學研究研究員李柯伽等科研人員組成的中國脈沖星測時陣列（CPTA）研究團隊報告前述納赫茲引力波成果的論文的標題是《用中國脈沖星測時陣列數據I尋找赫茲引力波背景》（Searching for the Nano-Hertz Stochastic Gravitational Wave Background with the Chinese Pulsar Timing Array Data Release I）。

國際上，其他脈沖星測時陣列合作組，包括歐洲EPTA-印度InPTA、北美NANOGrav和澳大利亞PPTA也在6月29日同一天宣布了類似的結果。四個國際獨立的研究結果互相驗證了這項發(fā)現。

據介紹，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。中國科學家通過自主開發(fā)的數據分析軟件，以數據精度、脈沖星數量和數據處理算法上的優(yōu)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。不過，受限于當前觀測數據較短的時間跨度，中國科研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(xù)觀測數據時間跨度的增加而解決。

國家天文臺官網資料介紹稱，該機構成立于2001年4月，本部設在北京，直屬單位包括中國科學院云南天文臺、南京天文光學技術研究所、新疆天文臺（2011年1月更為現名）和長春人造衛(wèi)星觀測站。中國科學院紫金山天文臺、上海天文臺的主要學科方向、大型觀測設備運行和觀測基地建設等受國家天文臺宏觀協調和指導。 

國家天文臺高水平建成和運行了以郭守敬望遠鏡（LAMOST）、“中國天眼”FAST為代表的一批國際領先的重要觀測設備。

國家天文臺創(chuàng)辦有具有獨立知識產權的國際優(yōu)秀天文學期刊《天文與天體物理研究》（RAA，Research in Astronomy and Astrophysics），創(chuàng)辦有以“面向廣大公眾、天文與人文結合”為辦刊理念的科普刊物《中國國家天文》雜志。 

附論文鏈接：https://doi.org/10.1088/1674-4527/acdfa5

（原標題：看懂納赫茲引力波｜90后胥恒博士：“0到1”，抵近精密探測極限）