科学家找到纳赫兹引力波存在的关键证据(附论文链接)

最近，一组中国科学家发现了纳赫兹引力波存在的关键证据，标志着纳赫兹引力波研究的新时代。该研究基于使用五百米孔径球面射电望远镜（FAST）进行的脉冲星定时观测。 该研究由中国脉冲星计时阵列（CPTA）合作进行，该合作由来自中国科学院国家天文台（NAOC）和其他研究所的研究人员组成。他们的研究结果于6月28日在线发表在《天文学和天体物理学研究》（RAA）杂志上。 其他国际脉冲星计时阵列合作将在同一天公布类似的结果。 大质量物体的加速度扰乱周围的时空并产生“涟漪”，即引力波。尽管这种波信号非常微弱，但它们提供了一种直接的方法来探测不发光的质量。出于这个原因，天文学家长期以来一直致力于利用引力波来帮助理解宇宙结构的形成，并研究宇宙中质量最大的天体，即超大质量黑洞的生长、演化和合并。这样的研究还将帮助物理学家深入了解时空的基本物理定律。 利用FAST的高灵敏度，CPTA研究团队以规律的节奏监测了57毫秒脉冲星41个月。研究小组发现了四极杆相关特征的关键证据，这些特征与4.6西格玛统计置信水平（误报概率为百万分之二）的纳赫兹引力波预测兼容。 团队采用自主研发的数据分析软件和数据处理算法，与其他国际集团同步实现突破。独立的数据处理管道产生了兼容的结果。

目前，CPTA数据集的时间跨度相对较短。然而，由于FAST望远镜的高灵敏度，CPTA与其他PTA相比实现了相似的灵敏度。未来的观测将很快扩展CPTA数据的跨度，并有助于识别当前信号的天文来源。 质量较大的物体会产生较低频率的引力波。例如，宇宙中质量最大的天体，星系中心的超大质量黑洞双星（质量是太阳质量的1亿到1000亿倍），主要产生纳赫兹波段的引力波，相应的信号时间尺度从几年到几十年不等。该频段还包括来自早期宇宙过程的引力波贡献以及宇宙弦等奇异物体。 因此，在宇宙观测中使用纳赫兹引力波对于研究当代天体物理学的关键问题非常重要，例如超大质量黑洞，星系合并的历史以及宇宙中大规模结构的形成。 然而，由于纳赫兹引力波的频率极低，因此探测纳赫兹引力波非常具有挑战性，相应的周期可能长达数年，波长可达几光年。到目前为止，对具有极端旋转稳定性的毫秒脉冲星进行长期定时观测是有效探测纳赫兹引力波的唯一已知方法。 寻找这些波是当今物理学和天文学的主要焦点之一。区域脉冲星定时阵列合作，包括北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav），欧洲脉冲星定时阵列（EPTA）和澳大利亚帕克斯脉冲星定时阵列（PPTA），已经收集脉冲星定时数据超过20年，目的是探测纳赫兹引力波。

最近，几个新的区域合作也加入了这一领域，包括CPTA，印度脉冲星定时阵列（InPTA）和南非脉冲星定时阵列（SAPTA）。 脉冲星定时阵列对纳赫兹引力波的探测灵敏度在很大程度上取决于观测时间跨度，即灵敏度随着观测时间跨度的增加而迅速增长。当前CPTA的观测时间跨度较短，更容易有效增加时间跨度，例如再观察41个月将使时间跨度翻倍。 未来，这些区域合作将促进国际脉冲星定时阵列合作，并通过纳赫兹引力波观测扩大对宇宙的探索。

论文原文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1674-4527/acdfa5

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