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《环球时报》在6月29日在线报道了中国科学院国家天文台等单位科研人员组成的中国脉冲星测时阵列研究团队利用中国天眼FAST，探测到了纳赫兹引力波存在的关键性证据，表明我国纳赫兹引力波研究达到了国际先进水平，而这项研究，或将揭开宇宙起源的秘密！  纳赫兹引力波：FAST研究中的“副产品”6月29日在线发表于《天文与天体物理研究（RAA）》期刊上的论文显示，我国天文学家在纳赫兹引力波研究方面取得了重大突破，中国科学院国家天文台领衔的中国脉冲星测时阵列（CPTA）研究团队通过分析中国天眼3年5个月的数据，发现了纳赫兹引力波存在的关键证据——具有纳赫兹引力波特征的四极相关信号，误报率小于50万分之一。 这距离纳赫兹引力波只有一步之遥了，接下来CPTA团队将非常有希望率先确定纳赫兹引力波的主要物理来源！这次发现是自2016年发现黑洞合并以来在引力波方向上最重大的发现，我国科学家在引力波研究领域重大突破！ 中国科学院院士蔡荣根表示，下一步一个关键的问题是去确定引力波谱指数。“如果谱指数是-2/3，则可以肯定探测到的引力波源是超大质量双黑洞系统，这是首次观测到宇宙中存在这样的超大质量双星系统，对理解这些双星系统的形成和演化具有重要的意义。 引力波：时空的涟漪，爱因斯坦100年前就曾预言 100多年前爱因斯坦的广义相对论发表，时空从牛顿绝对时空进入到了相对时空观，意外的引出了一个推论，时空是可以弯曲的，有质量的物体在时空中加速运动就会引起时空的“涟漪”，就像水丢进了平静的池塘一样，水波纹会一圈圈向周围扩散。  宇宙中有数不清的天体，其中也不乏大质量天体，特别是巨无霸黑洞，它们之间的互相环绕、慢慢靠近到最后合并，按广义相对论的推论，那么我们就有可能检测到引力波，但将近100年来一直都未能突破，科学家也想了惊为天人的办法。  宗教信仰一般的韦伯杆 熟悉天文学的朋友一定知道一个叫做韦伯杆的东西，这是一根长2米，直径1米的铝质实心圆柱，用细钢丝悬挂起来在真空容器中，1960年代时马里兰大学的物理学家约瑟夫 ·韦伯设计和建造了这种用于检测引力波的设备，通过压电传感器能够检测圆柱体长度约 10^-16米的变化，当引力波的涟漪扰动时空时，就能检测到其中的变化，从而发现引力波。  但如大家所料，这个尺度检测对于当时的技术而言显然是一件不可能达成的事情，而且韦伯老兄还把数据算错了，他设计的韦伯杆绝对探测不到引力波，尽管1967年时候韦伯称探测到了引力波，但并不能确认结果，此后的韦伯犹如宗教信仰一般坚持他的实验，最终也不了了之。 从进展到突破：人类科技的进步 20世纪70-80年代，引力波的存在通过观测脉冲双星系统的轨道变化得以间接证实，并获得了1993年诺贝尔物理学奖。但真正的突破还是在2015年，美国LIGO与VIRGO激光干涉引力波天文台宣布在百赫兹频段探测到恒星级质量双黑洞并合产生的引力波，并因此获得了2017年诺贝尔物理学奖。  2017年8月，美国激光干涉引力波天文台又探测到了两个中子星并合产生的引力波，这次的突破是除了引力波信号以外，还在全频段的电磁辐射也被观测到了，这个意义可不是一般的大，因为这将预示着“全波段多信使”天文学时代的到来。 LIGO与VIRGO激光干涉引力波天文台的原理并不复杂，利用激光干涉原理，将一束激光经过分光后分别在两个相隔90度、相距大约4千米的光路上反射约300次，相将每束激光的行进距离从4 km增加到1200 km，这大大增加了有效臂长，提高了设备的灵敏度。  最终这束激光被汇聚到一起，两条路径的程差使得两个激光束在从分光器通向光探测器之间的输出支路产生相消性干涉，此时在终端的光探测器不会量度到激光束的辐照度。当有任何引力波通过干涉仪时，干涉臂就会因应变响应而出现长度变化，从而使得程差被改变，因此光探测器会量度到激光束的辐照度有所改变。 这就是激光干涉的探测引力波的原理，各位可以想象一下，在等效长度超过1200千米的光干涉路径下才检测到了距离地球约13亿光年处的两个质量分别为36太阳质量与29太阳质量的黑洞并合，当初韦伯老兄的2米长的铝棒简直就是开玩笑，估计比邻星（4.2光年）位置黑洞合并才能让这根铝棒产生可探测的变化。  自2015年以来LIGO等探测器发现的引力波信号（图片来源于LIGO） 想要探测更低频的引力波：臂长至少也要光年计 引力波天文学观测是一个新课题，目前全球都在大量投入人力物力来开启这扇人类科技进步后才打开的大门，特别是在2015观测到引力波以后，各国都在投入建设引力波天文台，我国也不例外，但随着需要检测的引力波频率降低，需要力臂更长的干涉臂来实现，地面上已经很难找到这样的场所，科学家把眼光投向了太空。 我国的天琴计划就是天基引力波探测一个项目，这是三颗位于10万千米的高地球轨道上的卫星组成的星座，三颗相距11.5万千米的卫星用激光组成“干涉平台”，如此长的干涉臂将能探测到大质量黑洞双星环绕、极限质量比恒星环绕以及恒星级黑洞双星环绕等产生的低频引力波。  天琴计划示意图 但是要探测更低频率的引力波呢？很简单，需要更长“干涉臂”的引力波探测天文台，太阳系轨道？其实就算是太阳系级别也只是数亿至数十亿公里而已，科学家想要探测的引力波，得光年级，甚至成百上千光年的“干涉臂”，显然这是人类所不具备的，太阳系探测器还可以发射一下，但要跨越光年，至少目前的火箭技术毫无办法！ 不过科学家想到了另一条路，使用信号间隔极其精确的脉冲星，这种恒星在超新星爆发中坍缩而成的中子星，刚好有部分中子星将磁轴指向了地球，这些发射出高能电磁波的中子星被当成了宇宙中的“灯塔”，而旋转速度很高又极端稳定的脉冲星这次还成了科学家检测引力波最佳的、跨越光年的“干涉臂”。  科学家利用射电望远镜观测多颗脉冲星，观察它们在长周期上的脉冲变化，因为纳赫兹级别的引力波变化周期可能长达数年，只有长期观察记录才能发现周期变化，用大型射电望远镜能观察到更多、信号更弱的FAST就有了更大的优势。 这次中国天文学家利用FAST射电望远镜在3年5个月的中获得的脉冲星信号数据，发现了纳赫兹引力波存在的关键证据——具有纳赫兹引力波特征的四极相关信号，误报率小于50万分之一，这是一个相当大的突破，恭喜我国科学家！  脉冲星引力波探测“矩阵”：窥探宇宙大爆炸的“窗口”看完上文的朋友一定有点懵圈，这费尽心机检测到引力波就是为了研究黑洞并合、双星互绕，双黑洞齐舞？确实有部分原因如此，科学家对这些天体非常感兴趣！但研究引力波却不只是研究这些天体，因为这还是能窥探到宇宙大爆炸诞生“源头”的唯一“信使”，原因很简单，宇宙的“源头”只有引力波才能“看到”。 三个窗口：看到宇宙“尽头” 望远镜是科学家观测恒星、研究天体的重要工具，比如哈勃望远镜、詹姆斯·韦伯望远镜等，这些为大家带来宇宙深处天体的望远镜是科学家研究宇宙的一个重要工具！那么问题来了，除了这些光学望远镜，不是还有人说射电望远镜又是怎么回事？ 原因是这样的，能发出信号的都是具有“温度”的，随着温度的提高，这些天体会发出从电磁波到伽马射线的任意波段辐射，光学波段只是这个电磁波辐射波段中极小的一部分，比可见光频率更高的是紫外光、X光波段和伽马射线波段，而比可见光更低的是红外波段、太赫兹波段和高频、低频电磁波段。 科学家的观测宇宙就是用这些射电望远镜、红外观测（詹姆斯·韦伯望远镜）、可见光（哈勃望远镜）、X射线望远镜（钱德拉X射线望远镜）和伽马射线观测（雨燕伽玛射线暴的天文卫星），下面简单说说能看到宇宙最远处的探测手段： 可见光观测卫星最弱鸡，因为宇宙不断膨胀让很多恒星和星系的光波长被拉长进入了红外领域，因此从宇宙年龄纪年角度来衡量的话，大约是134亿年前，对应的大约是300亿光年外，再向外就得红外波段观测了，大约能到136年前，对应的距离大约330~400亿光年左右。 再远的位置红外也无能为力了，因为宇宙大爆炸后有很长一段时间内没有恒星，只有一片尘埃密布的空间，不过在更低的电磁波段却能观测到一片宇宙大爆炸时的余辉，这就是微波背景辐射，这是宇宙诞生极速膨胀后的冷却、光子可以自由穿梭的那一刻，也就是宇宙大爆炸发生后的38万年，对应到目前的距离，大约是461亿光年，这是在电磁波段可以观测到最遥远的距离。 天文学家认为，根据目前观测到的哈勃常熟推测的可观测宇宙直径大约是930亿光年，461亿光年外已经距离大爆炸诞生的那一刻只有4亿光年，此时电磁波已经无法看到，因为那会的光子包裹在一团等离子体中完全无法出来，只有穿透力最强的中微子观测才可以。 从理论上看，中微子天文可以观测到大爆炸后1秒后左右的宇宙，因为这是中微子退耦的时间，要再观测到大爆炸发生的那一刻，中微子也没办法了，只有在大爆炸发生后，四大作用力中最先诞生的引力在巨大能量质量的混沌中诞生引力波才能窥探到宇宙诞生的那一刻。 在引力诞生以前，人类的一切探测手段都束手无策！但随着138亿年的膨胀，以接近光的速度远离，这些引力波的波长可能已经被拉长到光年甚至数十光年甚至更长，在如此尺度上要检测到这种引力波，数百年甚至上千光年距离组成的脉冲星“阵列”显然是最合适的。 因此我们可以乐观的推测一下，中国科学家发现纳赫兹引力波存在的“痕迹”，基本上就是开启了探测宇宙诞生那一刻的大门，宇宙诞生的探索从此将变得可望可及。这个探索就像经典美剧中的场景：《星际之门-宇宙》中最后那一刻，命运号关闭一切额外的耗能设备，准备以前所未有的休眠时间与低耗能穿越宇宙的虚空，直接航向宇宙诞生的那一刻，在那个宇宙的“尽头”到底有什么？ |
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