世界级发现！中国天眼捕获超大引力波，助力揭秘宇宙起源｜专访发现者

核心要点：

引力波又被叫做“时空的涟漪”，它的探测一直是国际天文学界研究的关键领域，而2017年，美国天文学界巴里·巴里什等人就因对激光干涉引力波天文台（简称LIGO）和引力波的探测做出了决定性贡献，被授予了诺贝尔物理学奖。

(资料图)

6月29日，中国国家天文台的科学家利用“中国天眼”（FAST，500米口径球面射电望远镜）探测到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与国际同步，达到领先水平。引力波为什么这么重要，它到底是什么？又具备什么样的天文学意义？

腾讯新闻《一起来唠科》段玉龙对话本次纳赫兹引力波的主要发现者、国家天文台研究员李柯伽博士，为你解读。

段玉龙：6月29日，中国国家天文台的科学家利用“中国天眼”探测到纳赫兹引力波存在的关键性证据。请问什么是引力波？

李柯伽：引力波通俗来说就是时空的涟漪。为什么引力会和时空有关系呢？这是爱因斯坦建立广义相对论以后得出的结论。

广义相对论说的是，我们见到的万有引力，它在本质上来源于时空的弯曲（编者注：在广义相对论里，引力波是时空的涟漪。当投掷石头到池塘里时，会在池塘表面产生涟漪，从石头入水的位置向外传播。当带质量物体呈加速度运动时，也会在时空产生涟漪，从带质量物体位置向外传播，这种时空的涟漪就是引力波）。爱因斯坦在求解引力方程的时候就发现，一旦时空里的有质量的物体开始做加速运动的时候，它们就会扰动我们的时空。而绕动时空的结果，就像一块石头投到水里边，会引起水面的波动。这些时空的波动就会开始往远处传播出去以后，人们就会看到引力波这种东西，所以引力波本质上是时空的波动。

（图源：视觉中国）

段玉龙：美国激光干涉引力波天文台（LIGO）于2015年9月探测到引力波和黑洞，第二年就拿到了诺贝尔奖。

您这次所主导的这项研究确认了纳赫兹引力波的存在。请问纳赫兹引力波和美国LIGO所发现的引力波有什么不同？

李柯伽：这两种引力波特性如震动频率和产生来源是不一样的。

LIGO（编者注：Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，简称LIGO，是探测引力波的一个大规模物理实验和天文观测台，其在美国华盛顿州的汉福德与路易斯安那州的利文斯顿，分别建有激光干涉仪。利用两个几乎完全相同的干涉仪共同进行筛检，可以大幅度减少误判假引力波的可能性）是地面的激光干涉仪，它测量到的引力波是百赫兹级别的引力波，也就是说它的频率一秒钟可以振幅100次到1000次左右，这叫做百赫兹的震动。即LIGO探测到的是百赫兹级别的高频力波，它的振动频率比较高。

而我们这次找到证据的引力波叫做纳赫兹引力波，它的震动非常缓慢，大概需要几年到几十年的时间才能完成一个震动周期。

纳赫兹引力波往往是来源于那些质量更大的天体，尤其是双黑洞系统在相互绕转或者合并时产生的；而百赫兹级别的引力波则是由恒星级质量的黑洞产生的，一般是在比较小的黑洞或者中子星碰撞时产生的。

LIGO汉福德控制室（图源：维基百科）

段玉龙：除了百赫兹引力波和纳赫兹引力波之外，是否还存在其他频段的引力波有待于发现呢？

李柯伽：在纳赫兹和百赫兹之间，还有一个所谓的中频引力波，他主要是靠天上的激光干涉仪卫星来实现探测的。

我国之后也有像“天琴计划”这样的准备去实现中频引力波的探测。一般更低频段的引力波是需要去从微波背景辐射的偏正信息里边获取数据的，目前我国也有相关实验设施在开展这方面的研究。

天琴计划示意图（图源：中国日报网）

段玉龙：本次纳赫兹引力波的发现主要是依赖于中国脉冲星测试阵列，即CPTA。为何又提到了大家所熟知的中国天眼，请问CPTA它是什么组织？它与FAST之间是什么关系？

李柯伽：CPTA其实是一个合作团队的名字，它的中文直译就是中国脉冲星测时阵列。它利用的主要的观测设备是我国的“中国天眼”（FAST），即500米口径球面射电望远镜。

探测纳赫兹引力波原理是这样的，它真正的探测器并不是望远镜，而是天上自然存在的，在银河系里边分布的一些转动非常稳定的毫秒脉冲星。

毫秒脉冲星质量很大，但是半径又很小，一般十公里半径的毫秒脉冲星就有1.4个太阳质量。这样很小的天体在宇宙里边自转的时候，它的自转非常地稳定，我们就可以利用“中国天眼”去对脉冲星进行观测并得到脉冲星自转的信息。

在没有引力波干扰时，脉冲星的自传信号非常稳定，而存在引力波时，它就会扰动脉冲星之间的时空，引发脉冲信号的变动。我们通过无线电望远镜观测脉冲星到达地球时间的办法，可以反过来推测我们所观察的时空里是否存在纳赫兹引力波。

（图源：中国科学院计算机网络信息中心）

段玉龙：观测脉冲星一定要使用FAST吗？其他望远镜是否可行？

李柯伽：目前我们使用FAST的主要原因是它接触面积大、灵敏度非常高，能够让我们把脉冲星信号到达地球的时间测量得非常准确。

其他相对口径较小的望远镜，也可以对脉冲星开展观测性研究，但是它的测量精度会比FAST要弱一些。而为了捕获宇宙里非常微弱的引力波信号，我们希望测量的误差越小越好，所以我们去用世界上最大的单口径无线电望远镜FAST去进行观测。

（“中国天眼”检测到脉冲星信号和快速射电暴的示意图，图源：中国科学院计算机网络信息中心）

段玉龙：您刚才给我们讲明白了一个很重要的原理，即纳赫兹引力波的存在是因为我们观测到了毫秒脉冲星所发来的信号，通过观测信号的变化，我们倒推引力波的出现，尤其是纳赫兹引力波的结果。请问如何确认毫秒脉冲星发来地球的信号一定是由纳赫兹引力波引起的？宇宙中的其他天体，甚至是暗物质等有没有可能影响毫秒脉冲星的信号？

李柯伽：引力波对时空的扰动有一个非常重要的特性，叫做四极特性。它是指引力波在对空间一个方向压缩或者拉伸的时候，同时也会对垂直的方向施加相反的作用，比如说引力波在拉伸横方向的时候会纵方向上进行压缩。

因此，我们寻找的纳赫兹引力波的证据是来源于数据里存在的四极特性的信号。我们也有信心认为我们探到探测到的信号是来源于纳赫兹引力波。

段玉龙：这次除了发现纳赫兹引力波之外，未来相关的可续研究还会给我们带来什么样的惊喜？

李柯伽：未来相关的科学研究，一定会给我们带来一系列的惊喜，其中包括研究引力波的起源、找到每个引力波的对象来源，甚至是利用引力波来检验爱因斯坦的广义相对论是否正确，这些都是非常重要且基础的工作。

目前这个项目运行到现在只有三年左右，如果横向对比国际上其他几家脉冲星探测阵列的科学进展，你会发现一般时间长度翻一倍的时候，总是会带来各种各样的惊喜。

我们现在拥有3.5年的数据，等到第七年的时候，数据长度就会翻一倍。而更多的数据可以有效提高探测的灵敏度，加速打开引力波观测窗口，也能让我们在数据里找到新的物理现象。

段玉龙：在接下来的观测中，是否还会有其他望远镜的加入？会有更多的国际合作吗？

李柯伽：目前国际上现有四个脉冲星测时阵列，包括欧洲的EPTA-印度的InPTA、北美的NANOGrav以及澳大利亚的PPTA。而目前南非也在依托于他们建造的天线阵列试图去组建研究团队开展引力波研究工作。

目前我们也一直在推动深入的国际合作，试图形成国际脉冲星测时合作团队，希望在此基础上，尽快为全人类把纳赫兹引力波的窗口给打开，以真正了解宇宙中的物理过程和天文现象。

段玉龙：最后想请问，现有数据是否能够推测出纳赫兹引力波的具体来源呢？研究引力波具有哪些天文学意义？

李柯伽：真正组成宇宙的基本单元不是我们经常看到的天上的星星，而是像我们的银河系一样的大型星系。在我们可以观测到的宇宙里边有千亿个星系，这是非常庞大的数字，人类通过天文巡天的观测发现星系的组成与他们起源的空间结构存在着相关性。星系不是天然就有的，而是从小到大慢慢演化而来的，而演化过程中星系之间就会合并形成更大的星系，每个星系中心也都会有一个超大质量的黑洞，这基本上是目前天文学界的共识。

而纳赫兹引力波其实就是来源于星系中心的这些质量非常大的黑洞，是它们合并以后相互绕转的时候发出来的引力波。

探测引力波可以助力我们研究当前宇宙所观察到的宇宙结构形成过程，研究我们的星系是如何一步一步地演变为宇宙基本组成单元的过程，这是纳赫兹引力波其中一个非常重要的天文学意义。

嘉宾信息：

李柯伽，国家天文台研究员、论文通讯作者

段玉龙，北京广播电视台主持人、北京科普宣传大使

整理：伍栋阳

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