近日，“大國重器”中國天眼（FAST）又傳來好消息。截至2025年11月5日，它已發(fā)現(xiàn)脈沖星1170顆，遠超同期其他望遠鏡發(fā)現(xiàn)總數(shù)。
作為一項公認(rèn)的工程奇跡，F(xiàn)AST在投入使用后持續(xù)釋放科學(xué)潛能，不斷書寫新的傳奇，在“十四五”期間取得了一系列新突破。
對納赫茲引力波的探測成果就是其中之一。2023年6月，由中國科學(xué)院國家天文臺牽頭的中國脈沖星測時陣列（CPTA）研究團隊宣布，利用FAST對57顆脈沖星進行長達3年5個月的精密監(jiān)測，首次獲得納赫茲引力波存在的關(guān)鍵證據(jù)。這一發(fā)表于我國本土學(xué)術(shù)期刊《天文與天體物理研究》的重大成果，標(biāo)志著人類正式邁入納赫茲引力波觀測的新時代。
FAST探測到納赫茲引力波存在的關(guān)鍵證據(jù)示意圖。國家天文臺供圖
探測宇宙“低頻之窗”
“人類終于站在了期盼已久的納赫茲引力波觀測窗口前。”納赫茲引力波探測成果論文的通訊作者、中國科學(xué)院國家天文臺/北京大學(xué)研究員李柯伽表示，“我們利用中國自主設(shè)計和建造的大科學(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)域與國際同步達到領(lǐng)先水平。”
引力波是愛因斯坦廣義相對論中的重要預(yù)言，指加速運動的有質(zhì)量物體擾動時空所產(chǎn)生的“漣漪”。“如果把宇宙比喻成一杯水，人類已知的、能看見的東西只是其中一滴，絕大部分的宇宙是看不見的暗物質(zhì)、暗能量。”李柯伽解釋道，“我們只有通過追蹤‘質(zhì)量’的運動，才能揭開宇宙的奧秘。”
美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）于2016年首次在實驗中直接觀測到引力波。這些引力波頻率較高、波長較短，由恒星級質(zhì)量的雙黑洞并合產(chǎn)生。
而由更大質(zhì)量天體運動產(chǎn)生的引力波頻率更低、波長更長。例如，星系中心的超大質(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”，即十億分之一赫茲。要想理解超大質(zhì)量黑洞的演化過程，探測納赫茲引力波的信號至關(guān)重要。
以質(zhì)取勝，后發(fā)先至
納赫茲引力波探測在國際上是一個競爭激烈的領(lǐng)域。想要探測納赫茲引力波，則必須利用多個脈沖星。
科研人員解釋，利用射電望遠鏡可以長期監(jiān)測一批自轉(zhuǎn)極其穩(wěn)定的毫秒脈沖星，其發(fā)出的射電信號如同宇宙中最精準(zhǔn)的“鐘表”。當(dāng)納赫茲引力波經(jīng)過地球與脈沖星之間時，時空產(chǎn)生的微弱扭曲導(dǎo)致脈沖到達時間出現(xiàn)變化，可以作為納赫茲引力波存在的證據(jù)。這種方法被稱為“脈沖星測時（PTA）”。
全球多個團隊早已投身這場科學(xué)長跑。北美納赫茲引力波天文臺（NANOGrav）、歐洲脈沖星測時陣列（EPTA）、澳洲帕克斯脈沖星測時陣列（PPTA），以及印度脈沖星測時陣列（InPTA）、南非脈沖星測時陣列（SAPTA）等國際團隊依托各自大型射電望遠鏡，積累了十余年甚至20年的觀測數(shù)據(jù)。在本次中國科學(xué)家取得突破之前，國際上還沒有一個團隊得到過確切的探測結(jié)果。
作為全球最大且最靈敏的射電望遠鏡以及全球搜尋脈沖星效率最高的射電望遠鏡，F(xiàn)AST在“十四五”期間拉開探測納赫茲引力波的序幕，最終沒有辜負中國科學(xué)家的期待。
科研團隊一方面不斷提高FAST對脈沖星的觀測精度，另一方面加快創(chuàng)新數(shù)據(jù)處理方法，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)勢彌補時間跨度上的差距，使我國納赫茲引力波探測靈敏度得以快速提高。
通過FAST對57顆高質(zhì)量毫秒脈沖星的高精度測時，結(jié)合自主研發(fā)的數(shù)據(jù)處理算法，科學(xué)家在“4.6西格瑪置信度”下發(fā)現(xiàn)了納赫茲引力波信號，誤報率小于五十萬分之一。在這場20年前就開始的國際天文競賽中，中國科學(xué)家持續(xù)發(fā)力、不斷提速，終于后發(fā)先至。
大國重器，捷報頻傳
本次探測到的納赫茲引力波幅度極其微小。李柯伽解釋，在空間尺度上，相當(dāng)于1公里距離的變化僅為1/10氫原子大小；在時間尺度上，相當(dāng)于千萬年僅偏差1秒。這種極致的測量精度，唯有FAST這樣的超級工程才能實現(xiàn)。
“十四五”期間，除納赫茲引力波外，F(xiàn)AST憑借“脈沖星搜尋利器”的性能，幫助科學(xué)家取得一批具有國際影響力的重大原創(chuàng)成果，使中國射電天文研究實現(xiàn)從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的跨越。
其中，發(fā)現(xiàn)軌道周期僅53分鐘的迄今最短周期脈沖星雙星系統(tǒng)PSR J1953+1844（M71E），為雙星演化理論提供了關(guān)鍵證據(jù)。在快速射電暴（FRB）研究方面，F(xiàn)AST發(fā)現(xiàn)了迄今唯一持續(xù)活躍的重復(fù)暴FRB20190520B，并獲取最大的快速射電暴偏振觀測樣本，為揭示其神秘起源提供重要線索。此外，F(xiàn)AST在中性氫巡天、星際磁場測量等領(lǐng)域也取得突破，已有十余項相關(guān)成果發(fā)表于國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊，極大拓展了人類探索宇宙的邊界。
這些成果背后是FAST的“超長待機”。除了每個月固定兩天關(guān)機進行維護和保養(yǎng)外，F(xiàn)AST保持“全勤”，年度科學(xué)觀測時長達到5300小時。
如今，申請觀測時間的競爭仍然非常激烈，獲批率約為1/5。也就是說，科學(xué)家每申請5小時的觀測時間，平均只有1小時能夠獲得批準(zhǔn)和支持。這反映出科學(xué)研究對高質(zhì)量天文觀測數(shù)據(jù)的需求之大。
“確保望遠鏡的高效運行和維護，不僅對設(shè)備性能至關(guān)重要，也直接影響到能否為更多科學(xué)研究提供支持。”中國科學(xué)院國家天文臺FAST運行和發(fā)展中心團隊成員、高級工程師于東俊說。
而FAST的運行和維護絕不是墨守成規(guī)的日常重復(fù)。在團隊成員看來，要把一臺巨型設(shè)備維護好，必須在高效運行的同時不斷研制新技術(shù)、新方法來升級望遠鏡。
“十四五”期間，運維專家團隊致力于測控系統(tǒng)的研發(fā)與升級，為FAST的長期高效穩(wěn)定運行提供了堅實保障。
FAST全景圖。國家天文臺供圖提升性能，拓展應(yīng)用
當(dāng)前，國際射電天文學(xué)正朝著更高的空間分辨率、更精細的譜線分辨率以及更高的靈敏度方向推進，以探測到更暗弱、遙遠的天體。為此，科學(xué)家希望FAST能夠進一步提升靈敏度優(yōu)勢和優(yōu)良成圖能力，開展新技術(shù)研發(fā)，繼續(xù)拓展其在雷達、天文學(xué)、脈沖星時間基準(zhǔn)等領(lǐng)域的新應(yīng)用。
全球范圍內(nèi)，F(xiàn)AST面臨的競爭態(tài)勢也日趨激烈。近年來，相關(guān)國際大科學(xué)計劃相繼啟動，未來將給FAST的性能優(yōu)勢帶來挑戰(zhàn)。
為了始終站在射電波段視野的最前沿，F(xiàn)AST混合口徑陣列設(shè)想應(yīng)運而生，即在FAST周邊30公里范圍內(nèi)建設(shè)由數(shù)十臺40米口徑天線組成的大型干涉陣列，以顯著提升探測性能。近年來，F(xiàn)AST團隊開展了相關(guān)試驗樣機的研制工作，并進行了技術(shù)儲備和試驗驗證。
科學(xué)家期待，利用FAST這一觀天利器，聚焦極端致密天體的起源與演化等當(dāng)前天文學(xué)最前沿的科學(xué)問題，在時域天文、宇宙的成分與演化和引力波暴等研究領(lǐng)域率先取得突破性成果，打開通往更深遠宇宙的“高清之窗”。
本文鏈接：中國天眼：“聆聽”宇宙深處http://m.sq15.cn/show-11-29704-0.html
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