科学家找到纳赫兹引力波存在的关键证据

中国科学家团队近日找到了纳赫兹引力波存在的关键证据，标志着纳赫兹引力波研究进入了新时代。该研究基于五百米口径球面射电望远镜(FAST)进行的脉冲星授时观测。

这项研究是由中国脉冲星定时阵列(CPTA)合作组织进行的，该合作组织由来自中国科学院国家天文台(NAOC)和其他机构的研究人员组成。他们的研究结果在线发表在学术期刊《天文学和天体物理学研究》(RAA)上。

其他国际脉冲星计时阵列合作组织也将在同一天宣布类似的结果。

大质量物体的加速扰乱周围的时空并产生“涟漪”，即引力波。尽管这种波信号极其微弱，但它们提供了一种探测不发光物质的直接方法。因此，天文学家长期以来一直致力于利用引力波来帮助理解宇宙结构的形成，并研究宇宙中最大质量天体(即超大质量黑洞)的生长、演化和合并。此类研究还将帮助物理学家深入了解时空的基本物理定律。

利用FAST的高灵敏度，CPTA研究团队以规则的节奏监测了57毫秒脉冲星长达41个月。该团队发现了四极相关特征的关键证据，与 4.6 西格玛统计置信水平(误报概率为百万分之二)的纳赫兹引力波预测相一致。

该团队利用自主研发的数据分析软件和数据处理算法，与其他国际团队同时取得突破。独立的数据处理管道产生了兼容的结果。

目前CPTA数据集的时间跨度相对较短。然而，由于 FAST 望远镜的高灵敏度，CPTA 与其他 PTA 相比达到了相似的灵敏度。未来的观测将很快扩展 CPTA 数据的范围，并有助于识别当前信号的天文来源。

质量较大的物体产生频率较低的引力波。例如，宇宙中质量最大的天体，星系中心的超大质量黑洞双星(质量是太阳质量的1亿到1000亿倍)，主要产生纳赫兹波段的引力波，相应的信号时间尺度为几年到几十年。该频段还包括早期宇宙过程以及宇宙弦等奇异物体的引力波贡献。

因此，在宇宙观测中使用纳赫兹引力波对于研究当代天体物理学的关键问题(例如超大质量黑洞、星系合并的历史以及宇宙中大规模结构的形成)非常重要。

然而，纳赫兹引力波的探测非常具有挑战性，因为它们的频率极低，相应的周期可能长达数年，波长可达数光年。迄今为止，对具有极高旋转稳定性的毫秒脉冲星进行长期定时观测是唯一已知的有效探测纳赫兹引力波的方法。

寻找这些波是当今物理学和天文学的主要焦点之一。区域脉冲星授时阵列合作，包括北美纳赫兹引力波天文台 (NANOGrav)、欧洲脉冲星授时阵列 (EPTA) 和澳大利亚帕克斯脉冲星授时阵列 (PPTA)，20 多年来一直在收集脉冲星授时数据，目的是探测纳赫兹引力波。最近，一些新的区域合作也加入了这一领域，包括 CPTA、印度脉冲星定时阵列(InPTA)和南非脉冲星定时阵列(SAPTA)。

脉冲星计时阵列对纳赫兹引力波的探测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加而快速增长。目前CPTA的观测时间跨度较短，更容易有效地增加时间跨度，例如再观测41个月，时间跨度将增加一倍。

未来，这些区域合作将促进国际脉冲星计时阵列合作，并通过纳赫兹引力波观测扩大对宇宙的探索。