作出一個(gè)世界級(jí)的發(fā)現(xiàn)，分幾步？

近日，“再獲世界級(jí)發(fā)現(xiàn)！中國天眼‘看見’納赫茲引力波蹤影”的消息刷屏。這被認(rèn)為是中國科學(xué)院國家天文臺(tái)（簡(jiǎn)稱“國家天文臺(tái)”）等科研機(jī)構(gòu)近期最重磅的研究成果之一。

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

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

赫茲是每秒時(shí)間內(nèi)發(fā)生某一周期性事件的次數(shù)。百赫茲意味著每秒內(nèi)發(fā)生百次，納赫茲意味著每秒內(nèi)發(fā)生10^-9次（十億分之一次），相當(dāng)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(jí)。它的周期非常長(zhǎng)，可能數(shù)年甚至數(shù)十年才“走完”一個(gè)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(cè)引力波又非常難，逼近現(xiàn)有技術(shù)能力的極限。人類目前每一次探測(cè)到引力波，都被認(rèn)為是了不起的成就。此前關(guān)于引力波的探測(cè)和研究已經(jīng)兩次獲得諾貝爾獎(jiǎng)。 

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

一個(gè)銀河系大小的、飛在太空中的探測(cè)器——脈沖星測(cè)時(shí)陣列、一臺(tái)極其靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡——“中國天眼”FAST（ 500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡）、一群執(zhí)著于探索星空和宇宙奧秘的科學(xué)家，可能是中國科學(xué)家在納赫茲引力波領(lǐng)域取得突破的關(guān)鍵。

胥恒表示，這次對(duì)納赫茲引力波的探測(cè)，是“0到1”的發(fā)現(xiàn)。但現(xiàn)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(jié)果精度，并從引力波中提取信息。

相關(guān)論文6月29日在線發(fā)表在國家天文臺(tái)創(chuàng)辦的國際學(xué)術(shù)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(tái)/北京大學(xué)研究員李柯伽。

胥恒表示，這一重要成果的論文發(fā)在國內(nèi)的期刊，是希望能夠支持國產(chǎn)學(xué)術(shù)期刊的發(fā)展。國外其他三個(gè)國際團(tuán)隊(duì)也按照約定，同一時(shí)間在不同期刊上各自獨(dú)立發(fā)表了類似結(jié)果的論文。

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

為什么說是世界級(jí)發(fā)現(xiàn)：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(shí)不是預(yù)警黑洞或者探測(cè)暗物質(zhì)，從全人類的角度來說，探測(cè)引力波本身就是一個(gè)很重要的能力，也是很重要的突破。”胥恒說。

天文學(xué)是對(duì)超乎人們想象的極遙遠(yuǎn)世界的觀測(cè)和構(gòu)想。當(dāng)時(shí)空被擾動(dòng)，就產(chǎn)生了引力波。它是“漣漪”，對(duì)四面八方都產(chǎn)生著影響，并在穿越廣闊的宇宙空間時(shí)發(fā)生衰減。它由加速運(yùn)動(dòng)的有質(zhì)量物體擾動(dòng)周圍的時(shí)空而產(chǎn)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(duì)論并預(yù)言引力波的存在，但他自己都不相信能測(cè)到引力波，因?yàn)樾盘?hào)太弱了。然而這并不影響科學(xué)家對(duì)引力波的研究熱情，因?yàn)樗鼘?shí)在是太重要了。

科學(xué)家對(duì)引力波的探測(cè)已經(jīng)兩次獲得諾貝爾獎(jiǎng)。引力波探測(cè)第一次獲得諾貝爾獎(jiǎng)，是美國科學(xué)家新澤西州普林斯頓大學(xué)的拉塞爾·赫爾斯（Russell A.Hulse)和小約瑟夫·泰勒（Joseph H. Taylor Jr. )在上個(gè)世紀(jì)七八十年代通過觀測(cè)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(xué)獎(jiǎng)；2015年，美國的兩臺(tái)引力波探測(cè)器LIGO（激光干涉引力波觀測(cè)臺(tái)）設(shè)施直接探測(cè)到百赫茲頻段的高頻引力波。因此，美國科學(xué)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(xué)獎(jiǎng)。

“這次我們是在納赫茲頻段，測(cè)到了（納赫茲）引力波存在的證據(jù)。這確實(shí)是物理學(xué)上一個(gè)非常重大的進(jìn)展。”胥恒說。

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

他表示，“其實(shí)引力波攜帶了很多天體物理的信號(hào)，探測(cè)到引力波之后，你就可以研究這些天體物理信號(hào)。比如說，高頻引力波可能是由幾十倍太陽質(zhì)量的黑洞合并產(chǎn)生的，但納赫茲引力波這種低頻引力波可能超大質(zhì)量黑洞合并而引發(fā)的，比如1億倍、10億倍、千億倍太陽質(zhì)量的黑洞。通過研究這些超大質(zhì)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(duì)宇宙更多奧秘的洞察，或許能揭示我們未來的命運(yùn)，給我們帶來新的啟示。

2017年時(shí)，諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)稱，引力波開啟了觀察宇宙新時(shí)代。“從400年前伽利略對(duì)星空的觀察到今天，我們觀測(cè)宇宙的方法發(fā)生了巨大的變化，我很期待更大的進(jìn)步。” 諾貝爾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)得主、美國加州理工學(xué)院費(fèi)曼理論物理學(xué)教授基普·索恩(Kip Thorne)2017年12月在北京師范大學(xué)進(jìn)行講座時(shí)表示。他同時(shí)預(yù)測(cè)，未來15至20年里，會(huì)有4種不同引力波波段的觀測(cè)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(cè)到的高頻引力波有不同的產(chǎn)生機(jī)制，也攜帶著不同宇宙天體的信息。

宇宙中質(zhì)量最大的天體，比如星系中心的上億到千億倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)繞轉(zhuǎn)產(chǎn)生的引力波，主要集中在納赫茲頻段。在這個(gè)頻段內(nèi)，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(duì)象產(chǎn)生的引力波。

但難題是，先要有能力探測(cè)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(cè)到，它屬于弱信號(hào)探測(cè)，抵近了人類現(xiàn)有技術(shù)能力的極限，也體現(xiàn)一個(gè)國家或民族，乃至全人類的科學(xué)技術(shù)水平。目前探測(cè)到的納赫茲引力波的幅度極小，距離上相當(dāng)于1公里尺度引力波引起的擾動(dòng)約為百分之一個(gè)氫原子的大小，時(shí)間上則相當(dāng)于千萬年尺度上變化1秒。

胥恒表示，這種驚人的探測(cè)精度和探測(cè)能力，“確實(shí)是在往人類極限上推的。（這種測(cè)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(dòng)力學(xué)、測(cè)量太陽系行星質(zhì)量等。”“所以，探測(cè)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(cè)到納赫茲引力波，是‘0到1’的突破。有了這東西之后，把這個(gè)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(tái)/北京大學(xué)研究員李柯伽在納赫茲引力波研究成果的新聞發(fā)布會(huì)上表示，“人類終于站在了期盼已久的納赫茲引力波觀測(cè)窗口前。”“我們利用中國自主設(shè)計(jì)和建造的大科學(xué)裝置開展原創(chuàng)性研究，成果發(fā)表在中國本土的學(xué)術(shù)期刊上，我國在這一領(lǐng)域與國際同步達(dá)到領(lǐng)先水平。”

暫時(shí)還不能說直接看見了納赫茲引力波

胥恒向澎湃科技強(qiáng)調(diào)，為了更嚴(yán)謹(jǐn)，現(xiàn)在還不能說直接“看見”了納赫茲引力波，而應(yīng)該說是，探測(cè)到納赫茲引力波存在的“直接證據(jù)”、“關(guān)鍵性證據(jù)”。“數(shù)據(jù)精度再提高一些，就可以自信地說我們直接探測(cè)到了納赫茲引力波。要再等幾個(gè)個(gè)月，或幾年。”

據(jù)介紹，中國研究團(tuán)隊(duì)基于獨(dú)立開發(fā)的軟件，對(duì)FAST收集的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，在4.6西格瑪置信度水平上發(fā)現(xiàn)了具有納赫茲引力波特征的四極相關(guān)信號(hào)的證據(jù)。

胥恒告訴澎湃科技，“物理學(xué)上的黃金標(biāo)準(zhǔn)是5西格瑪（置信度水平），我們現(xiàn)在是4.6西格瑪，還差一點(diǎn)。所以，我們保守地說，探測(cè)到納赫茲引力波存在的關(guān)鍵性證據(jù)、直接證據(jù)，而非直接看見了納赫茲引力波。”“這么說會(huì)比較嚴(yán)謹(jǐn)一點(diǎn)。”“幾個(gè)獨(dú)立的國際團(tuán)隊(duì)都探測(cè)到類似的信號(hào)，互相驗(yàn)證了結(jié)果。”

4.6西格瑪置信度水平的誤報(bào)率已經(jīng)小于五十萬分之一。這是FAST運(yùn)行至今僅僅收集3年5個(gè)月的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究后就得出的高精度結(jié)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(cè)的繼續(xù)開展，數(shù)據(jù)的不斷累積，未來結(jié)果的精度將大幅提高。“我們后面還會(huì)繼續(xù)觀測(cè)，把數(shù)據(jù)時(shí)間跨度延長(zhǎng)，探測(cè)納赫茲引力波的靈敏度會(huì)隨著時(shí)間數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的增加快速增加，比如數(shù)據(jù)再增加一倍，那么靈敏度會(huì)增加好幾倍。”“三年之內(nèi)，（達(dá)到5西格瑪）應(yīng)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(yuǎn)鏡，收集數(shù)據(jù)，搜尋納赫茲引力波存在的證據(jù)。“三年多的時(shí)間，我們就達(dá)到了和他們差不多的水平。”

胥恒介紹，“我們現(xiàn)在探測(cè)到的其實(shí)的是引力波背景——即無數(shù)個(gè)納赫茲引力波疊加起來的背景。因?yàn)橐�力波太弱了，很難直接測(cè)到一個(gè)單獨(dú)的引力波。”“所以大家第一步其實(shí)都是直接去探測(cè)這個(gè)背景，然后再去考慮單個(gè)引力波。”

胥恒告訴澎湃科技，“現(xiàn)在我們團(tuán)隊(duì)花很大力氣正在做這個(gè)事情——去探測(cè)單個(gè)引力波信號(hào)。”

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

銀河系大小“天然”探測(cè)器

此前人類測(cè)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(tái)引力波探測(cè)器LIGO設(shè)施，僅新一輪升級(jí)經(jīng)費(fèi)就高達(dá)數(shù)千萬美元。2019年，美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）和英國研究與創(chuàng)新中心（UKRI）分別向LIGO的運(yùn)營(yíng)方資助2040萬美元、1410萬美元。

LIGO 全稱“激光干涉引力波觀測(cè)臺(tái)”（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(shè)完畢，于 2015 調(diào)試成功，并在當(dāng)年探測(cè)到百赫茲頻段的引力波，于2016年正式公布。前述被探測(cè)到的引力波產(chǎn)生于兩個(gè)30～60倍太陽質(zhì)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(cè)器virgo全名“室女座引力波天文臺(tái)”，由法國、意大利、荷蘭、波蘭、匈牙利和西班牙6國科學(xué)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(cè)器而言，中國科學(xué)家探測(cè)納赫茲引力波的探測(cè)器飛在太空中，更巨大，更“天然”。

胥恒表示，“如果想測(cè)一下手掌的寬度，拿個(gè)尺子量就可以。高頻引力波的波長(zhǎng)可能就幾十公里量級(jí)，在地球上建造一個(gè)數(shù)公里探測(cè)器，就能把它測(cè)到。但納赫茲引力波的波長(zhǎng)太長(zhǎng)了，它的周期是以年為單位，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)可能達(dá)幾光年。1光年相當(dāng)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(cè)器。”

那么，多大的探測(cè)器才能觀測(cè)納赫茲引力波？

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

57顆被選中作為前述探測(cè)器的脈沖星都是毫秒脈沖星。脈沖星是大質(zhì)量恒星死亡后的“遺骸”，是一種密度、磁場(chǎng)極高，并高速自轉(zhuǎn)，發(fā)出射電脈沖的奇異致密星體。1秒等于1000毫秒。自轉(zhuǎn)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(hào)的“走時(shí)”精準(zhǔn)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(cè)時(shí)精度比較高的脈沖星基本上都加入到脈沖星測(cè)時(shí)陣列里，以此提高脈沖星測(cè)時(shí)陣列的精度。現(xiàn)階段我們數(shù)據(jù)里有57顆。”

胥恒表示，脈沖星可以存在幾千萬年，“走時(shí)”也非常準(zhǔn)。但引力波傳過來，就把時(shí)空給擾動(dòng)，導(dǎo)致有的脈沖星傳過來的脈沖信號(hào)延遲到達(dá)，而有的提前到，這都是極其微小的改變。但如果這些信號(hào)數(shù)據(jù)的相關(guān)性符合四極相關(guān)曲線，那么人們就可以認(rèn)為這些擾動(dòng)就是納赫茲引力波引起的。

胥恒表示，關(guān)于納赫茲引力波發(fā)現(xiàn)過程的一種形象化的描述是，F(xiàn)AST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(hào)，記錄這個(gè)“天然”探測(cè)器的“讀數(shù)”。在盯了3年5個(gè)月之后，科學(xué)家在海量的數(shù)據(jù)中，通過計(jì)算，發(fā)現(xiàn)了納赫茲引力波存在的關(guān)鍵證據(jù)。

如果把研究納赫茲引力波分為兩個(gè)階段，胥恒表示，第一個(gè)階段——“探測(cè)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(jìn)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(jì)算機(jī)，盡管那時(shí)候的計(jì)算機(jī)體型巨大、功能單一，到如今功能豐富、計(jì)算力強(qiáng)大的智能手機(jī)、電腦等，其間也是經(jīng)歷了很長(zhǎng)的發(fā)展時(shí)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(cè)宇宙的那扇門。

國家天文臺(tái)/北京大學(xué)研究研究員李柯伽等科研人員組成的中國脈沖星測(cè)時(shí)陣列（CPTA）研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告前述納赫茲引力波成果的論文的標(biāo)題是《用中國脈沖星測(cè)時(shí)陣列數(shù)據(jù)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(cè)時(shí)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(jié)果。四個(gè)國際獨(dú)立的研究結(jié)果互相驗(yàn)證了這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)。

據(jù)介紹，對(duì)頻率低至納赫茲的引力波進(jìn)行探測(cè)，將有助于天文學(xué)家理解宇宙結(jié)構(gòu)的起源，探測(cè)宇宙中最大質(zhì)量的天體即超大質(zhì)量黑洞的增長(zhǎng)、演化及并合過程；也有助于物理學(xué)家洞察時(shí)空的基本物理原理。中國科學(xué)家通過自主開發(fā)的數(shù)據(jù)分析軟件，以數(shù)據(jù)精度、脈沖星數(shù)量和數(shù)據(jù)處理算法上的優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了時(shí)間跨度上的差距，使我國納赫茲引力波探測(cè)靈敏度很快達(dá)到了與美、歐、澳相當(dāng)?shù)乃�平，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)此次重大科學(xué)突破。不過，受限于當(dāng)前觀測(cè)數(shù)據(jù)較短的時(shí)間跨度，中國科研團(tuán)隊(duì)暫時(shí)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(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間跨度的增加而解決。

國家天文臺(tái)官網(wǎng)資料介紹稱，該機(jī)構(gòu)成立于2001年4月，本部設(shè)在北京，直屬單位包括中國科學(xué)院云南天文臺(tái)、南京天文光學(xué)技術(shù)研究所、新疆天文臺(tái)（2011年1月更為現(xiàn)名）和長(zhǎng)春人造衛(wèi)星觀測(cè)站。中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)、上海天文臺(tái)的主要學(xué)科方向、大型觀測(cè)設(shè)備運(yùn)行和觀測(cè)基地建設(shè)等受國家天文臺(tái)宏觀協(xié)調(diào)和指導(dǎo)。 

國家天文臺(tái)高水平建成和運(yùn)行了以郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）、“中國天眼”FAST為代表的一批國際領(lǐng)先的重要觀測(cè)設(shè)備。

國家天文臺(tái)創(chuàng)辦有具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國際優(yōu)秀天文學(xué)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(jié)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(biāo)題：看懂納赫茲引力波｜90后胥恒博士：“0到1”，抵近精密探測(cè)極限）