90后博士探测纳赫兹引力波，抵近精密探测极限

 

作出一个世界级的发现，分几步？

近日，“再获世界级发现！中国天眼‘看见’纳赫兹引力波踪影”的消息刷屏。这被认为是中国科学院国家天文台（简称“国家天文台”）等科研机构近期最重磅的研究成果之一。

为什么说是世界级的发现？什么是纳赫兹引力波？它有什么用？它是如何被发现的……

为看懂这一最新研究成果，近日，澎湃科技专访了相关论文的第一作者、国家天文台助理研究员、“90后”胥恒博士。

赫兹是每秒时间内发生某一周期性事件的次数。百赫兹意味着每秒内发生百次，纳赫兹意味着每秒内发生10^-9次（十亿分之一次），相当于大约31年才发生一次该事件。

胥恒向澎湃科技表示，纳赫兹引力波是低频引力波，在10^-9赫兹量级。它的周期非常长，可能数年甚至数十年才“走完”一个周期。引力波携带了来自宇宙天体的许多重要的信息，但探测引力波又非常难，逼近现有技术能力的极限。人类目前每一次探测到引力波，都被认为是了不起的成就。此前关于引力波的探测和研究已经两次获得诺贝尔奖。 

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纳赫兹引力波论文的通讯作者国家天文台/北京大学研究员李柯伽。中国科学院国家天文台 图

一个银河系大小的、飞在太空中的探测器——脉冲星测时阵列、一台极其灵敏的射电望远镜——“中国天眼”FAST（ 500米口径球面射电望远镜）、一群执著于探索星空和宇宙奥秘的科学家，可能是中国科学家在纳赫兹引力波领域取得突破的关键。

胥恒表示，这次对纳赫兹引力波的探测，是“0到1”的发现。但现在还不能说是直接看见了纳赫兹引力波。目前，第一阶段的研究已基本完成，第二阶段的研究要着手提高结果精度，并从引力波中提取信息。

相关论文6月29日在线发表在国家天文台创办的国际学术期刊《天文与天体物理研究》（RAA，Research in Astronomy and Astrophysics）上。该论文的通讯作者是国家天文台/北京大学研究员李柯伽。

胥恒表示，这一重要成果的论文发在国内的期刊，是希望能够支持国产学术期刊的发展。国外其他三个国际团队也按照约定，同一时间在不同期刊上各自独立发表了类似结果的论文。

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纳赫兹引力波论文的第一作者、国家天文台助理研究员、“90后”胥恒博士。中国科学院国家天文台 图

为什么说是世界级发现：探秘宇宙的新波段

“我们研究纳赫兹引力波的首要目的，其实不是预警黑洞或者探测暗物质，从全人类的角度来说，探测引力波本身就是一个很重要的能力，也是很重要的突破。”胥恒说。

天文学是对超乎人们想象的极遥远世界的观测和构想。当时空被扰动，就产生了引力波。它是“涟漪”，对四面八方都产生着影响，并在穿越广阔的宇宙空间时发生衰减。它由加速运动的有质量物体扰动周围的时空而产生，并以引力辐射的形式传输。

胥恒向澎湃科技表示，100多年前，爱因斯坦发表广义相对论并预言引力波的存在，但他自己都不相信能测到引力波，因为信号太弱了。然而这并不影响科学家对引力波的研究热情，因为它实在是太重要了。

科学家对引力波的探测已经两次获得诺贝尔奖。引力波探测第一次获得诺贝尔奖，是美国科学家新泽西州普林斯顿大学的拉塞尔·赫尔斯（Russell A.Hulse)和小约瑟夫·泰勒（Joseph H. Taylor Jr. )在上个世纪七八十年代通过观测脉冲双星的办法，间接证明引力波是存在的，两人也因此获得了1993年诺贝尔物理学奖；2015年，美国的两台引力波探测器LIGO（激光干涉引力波观测台）设施直接探测到百赫兹频段的高频引力波。因此，美国科学家雷纳·韦斯（Rainer Weiss）、巴里·巴里什（Barry C.Barish）和基普·索恩（Kip S.Thorne）获得了2017年的诺贝尔物理学奖。

“这次我们是在纳赫兹频段，测到了（纳赫兹）引力波存在的证据。这确实是物理学上一个非常重大的进展。”胥恒说。

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宇宙中质量最大的天体，比如星系中心的上亿到千亿倍太阳质量的超大质量双黑洞系统绕转产生的引力波，主要集中在纳赫兹频段。胥恒介绍，“我们现在探测到的其实的是引力波背景——即无数个纳赫兹引力波叠加起来的背景。”中国科学院国家天文台 图

他表示，“其实引力波携带了很多天体物理的信号，探测到引力波之后，你就可以研究这些天体物理信号。比如说，高频引力波可能是由几十倍太阳质量的黑洞合并产生的，但纳赫兹引力波这种低频引力波可能超大质量黑洞合并而引发的，比如1亿倍、10亿倍、千亿倍太阳质量的黑洞。通过研究这些超大质量双黑洞的演化、并合，或许能够推演‘星系是怎么演化、并合的’，你就能知道咱们的宇宙怎么演化的。”

换句话说，就像知过去，或许能知未来一样，对宇宙更多奥秘的洞察，或许能揭示我们未来的命运，给我们带来新的启示。

2017年时，诺贝尔奖官网称，引力波开启了观察宇宙新时代。“从400年前伽利略对星空的观察到今天，我们观测宇宙的方法发生了巨大的变化，我很期待更大的进步。” 诺贝尔奖物理学奖得主、美国加州理工学院费曼理论物理学教授基普·索恩(Kip Thorne)2017年12月在北京师范大学进行讲座时表示。他同时预测，未来15至20年里，会有4种不同引力波波段的观测窗口被打开。

纳赫兹引力波是低频波段的引力波，相比于此前LIGO探测到的高频引力波有不同的产生机制，也携带着不同宇宙天体的信息。

宇宙中质量最大的天体，比如星系中心的上亿到千亿倍太阳质量的超大质量双黑洞系统绕转产生的引力波，主要集中在纳赫兹频段。在这个频段内，还有宇宙早期原初引力波残存至今的部分和宇宙弦等奇异对象产生的引力波。

但难题是，先要有能力探测和记录到这些引力波。

胥恒告诉澎湃科技，引力波非常难探测到，它属于弱信号探测，抵近了人类现有技术能力的极限，也体现一个国家或民族，乃至全人类的科学技术水平。目前探测到的纳赫兹引力波的幅度极小，距离上相当于1公里尺度引力波引起的扰动约为百分之一个氢原子的大小，时间上则相当于千万年尺度上变化1秒。

胥恒表示，这种惊人的探测精度和探测能力，“确实是在往人类极限上推的。（这种测量能力）还能做蛮多事情，比如说研究银河系的湍流，研究太阳系的动力学、测量太阳系行星质量等。”“所以，探测到纳赫兹引力波是非常重要的，也是许多国际同行都正在努力的方向。”

“探测到纳赫兹引力波，是‘0到1’的突破。有了这东西之后，把这个窗户打开了，你就能往后看了，能做更多的事情，但后面有什么，我们还不知道。”胥恒说。

论文通讯作者、国家天文台/北京大学研究员李柯伽在纳赫兹引力波研究成果的新闻发布会上表示，“人类终于站在了期盼已久的纳赫兹引力波观测窗口前。”“我们利用中国自主设计和建造的大科学装置开展原创性研究，成果发表在中国本土的学术期刊上，我国在这一领域与国际同步达到领先水平。”

暂时还不能说直接看见了纳赫兹引力波

胥恒向澎湃科技强调，为了更严谨，现在还不能说直接“看见”了纳赫兹引力波，而应该说是，探测到纳赫兹引力波存在的“直接证据”、“关键性证据”。“数据精度再提高一些，就可以自信地说我们直接探测到了纳赫兹引力波。要再等几个个月，或几年。”

据介绍，中国研究团队基于独立开发的软件，对FAST收集的信号数据进行分析研究，在4.6西格玛置信度水平上发现了具有纳赫兹引力波特征的四极相关信号的证据。

胥恒告诉澎湃科技，“物理学上的黄金标准是5西格玛（置信度水平），我们现在是4.6西格玛，还差一点。所以，我们保守地说，探测到纳赫兹引力波存在的关键性证据、直接证据，而非直接看见了纳赫兹引力波。”“这么说会比较严谨一点。”“几个独立的国际团队都探测到类似的信号，互相验证了结果。”

4.6西格玛置信度水平的误报率已经小于五十万分之一。这是FAST运行至今仅仅收集3年5个月的数据进行分析研究后就得出的高精度结果，且置信度水平高于欧洲、北美和澳大利亚国际同行。

胥恒表示，随着在FAST观测的继续开展，数据的不断累积，未来结果的精度将大幅提高。“我们后面还会继续观测，把数据时间跨度延长，探测纳赫兹引力波的灵敏度会随着时间数据长度的增加快速增加，比如数据再增加一倍，那么灵敏度会增加好几倍。”“三年之内，（达到5西格玛）应该是没问题的。”

胥恒介绍，国外同行从2000年左右就开始利用其他大型射电望远镜，收集数据，搜寻纳赫兹引力波存在的证据。“三年多的时间，我们就达到了和他们差不多的水平。”

胥恒介绍，“我们现在探测到的其实的是引力波背景——即无数个纳赫兹引力波叠加起来的背景。因为引力波太弱了，很难直接测到一个单独的引力波。”“所以大家第一步其实都是直接去探测这个背景，然后再去考虑单个引力波。”

胥恒告诉澎湃科技，“现在我们团队花很大力气正在做这个事情——去探测单个引力波信号。”

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“中国天眼”FAST（ 500米口径球面射电望远镜）。中国科学院国家天文台 图

银河系大小“天然”探测器

此前人类测量引力波所使用的仪器是建造在地球上的激光干涉仪。

美国有两台引力波探测器LIGO设施，仅新一轮升级经费就高达数千万美元。2019年，美国国家科学基金会（NSF）和英国研究与创新中心（UKRI）分别向LIGO的运营方资助2040万美元、1410万美元。

LIGO 全称“激光干涉引力波观测台”（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory），分别建在美国华盛顿州汉福德和大约3000公里之外的路易斯安那州列文斯顿。它们于 2008 年建设完毕，于 2015 调试成功，并在当年探测到百赫兹频段的引力波，于2016年正式公布。前述被探测到的引力波产生于两个30～60倍太阳质量的黑洞的剧烈碰撞，距离地球13亿光年。

欧洲的引力波探测器virgo全名“室女座引力波天文台”，由法国、意大利、荷兰、波兰、匈牙利和西班牙6国科学家共同参与，2003年，在意大利比萨附近的小镇卡希纳建成。

相较于美国和欧洲工程浩大的地面引力波探测器而言，中国科学家探测纳赫兹引力波的探测器飞在太空中，更巨大，更“天然”。

胥恒表示，“如果想测一下手掌的宽度，拿个尺子量就可以。高频引力波的波长可能就几十公里量级，在地球上建造一个数公里探测器，就能把它测到。但纳赫兹引力波的波长太长了，它的周期是以年为单位，对应的波长可能达几光年。1光年相当于9.46万亿公里。地球直径才1万多公里，在地面上，造不出那么大的探测器。”

那么，多大的探测器才能观测纳赫兹引力波？

胥恒说，“跨度至少有几十光年那么大的探测器。”“所以我们就只能去宇宙里找，我们利用射电望远镜长时间监测多颗自转极其稳定的脉冲星，组成一个阵列，这样一个银河系尺度大小的探测器就可以测量纳赫兹引力波了。”

57颗被选中作为前述探测器的脉冲星都是毫秒脉冲星。脉冲星是大质量恒星死亡后的“遗骸”，是一种密度、磁场极高，并高速自转，发出射电脉冲的奇异致密星体。1秒等于1000毫秒。自转周期为1-30毫秒的脉冲星被称为毫秒脉冲星。它发出射电脉冲信号的“走时”精准得可以与地球上最好的原子钟相媲美。

胥恒介绍，“不是一定要57颗（脉冲星），而是把FAST能看到的测时精度比较高的脉冲星基本上都加入到脉冲星测时阵列里，以此提高脉冲星测时阵列的精度。现阶段我们数据里有57颗。”

胥恒表示，脉冲星可以存在几千万年，“走时”也非常准。但引力波传过来，就把时空给扰动，导致有的脉冲星传过来的脉冲信号延迟到达，而有的提前到，这都是极其微小的改变。但如果这些信号数据的相关性符合四极相关曲线，那么人们就可以认为这些扰动就是纳赫兹引力波引起的。

胥恒表示，关于纳赫兹引力波发现过程的一种形象化的描述是，FAST一直盯着太空中的57颗脉冲星，持续记录它们传来的脉冲信号，记录这个“天然”探测器的“读数”。在盯了3年5个月之后，科学家在海量的数据中，通过计算，发现了纳赫兹引力波存在的关键证据。

如果把研究纳赫兹引力波分为两个阶段，胥恒表示，第一个阶段——“探测到引力波”几乎完成了，目前要着手开始第二阶段——“从纳赫兹引力波里提取信息，进而深入研究宇宙”。他表示，这一过程就像从人类最初从无到有，制造出计算机，尽管那时候的计算机体型巨大、功能单一，到如今功能丰富、计算力强大的智能手机、电脑等，其间也是经历了很长的发展时间，他们希望尽快跨越这一过程，早日完全打开通过纳赫兹引力波观测宇宙的那扇门。

国家天文台/北京大学研究研究员李柯伽等科研人员组成的中国脉冲星测时阵列（CPTA）研究团队报告前述纳赫兹引力波成果的论文的标题是《用中国脉冲星测时阵列数据I寻找赫兹引力波背景》（Searching for the Nano-Hertz Stochastic Gravitational Wave Background with the Chinese Pulsar Timing Array Data Release I）。

国际上，其他脉冲星测时阵列合作组，包括欧洲EPTA-印度InPTA、北美NANOGrav和澳大利亚PPTA也在6月29日同一天宣布了类似的结果。四个国际独立的研究结果互相验证了这项发现。

据介绍，对频率低至纳赫兹的引力波进行探测，将有助于天文学家理解宇宙结构的起源，探测宇宙中最大质量的天体即超大质量黑洞的增长、演化及并合过程；也有助于物理学家洞察时空的基本物理原理。中国科学家通过自主开发的数据分析软件，以数据精度、脉冲星数量和数据处理算法上的优势弥补了时间跨度上的差距，使我国纳赫兹引力波探测灵敏度很快达到了与美、欧、澳相当的水平，从而同时实现此次重大科学突破。不过，受限于当前观测数据较短的时间跨度，中国科研团队暂时无法确定纳赫兹波段引力波的主要物理来源，但这将随着后续观测数据时间跨度的增加而解决。

国家天文台官网资料介绍称，该机构成立于2001年4月，本部设在北京，直属单位包括中国科学院云南天文台、南京天文光学技术研究所、新疆天文台（2011年1月更为现名）和长春人造卫星观测站。中国科学院紫金山天文台、上海天文台的主要学科方向、大型观测设备运行和观测基地建设等受国家天文台宏观协调和指导。 

国家天文台高水平建成和运行了以郭守敬望远镜（LAMOST）、“中国天眼”FAST为代表的一批国际领先的重要观测设备。

国家天文台创办有具有独立知识产权的国际优秀天文学期刊《天文与天体物理研究》（RAA，Research in Astronomy and Astrophysics），创办有以“面向广大公众、天文与人文结合”为办刊理念的科普刊物《中国国家天文》杂志。 

附论文链接：https://doi.org/10.1088/1674-4527/acdfa5

（原标题：看懂纳赫兹引力波｜90后胥恒博士：“0到1”，抵近精密探测极限）