90后博士观测纳赫兹引力波，抵近精密探测极限
发布时间：2023-07-07 12:35:51 所属栏目：动态 来源：
导读： 在最近，中国的FAST望远镜有了重大的突破，并探测到了名为纳赫兹引力波的物体存在。这个新闻瞬间传遍全世界。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
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在最近，中国的FAST望远镜有了重大的突破，并探测到了名为纳赫兹引力波的物体存在。这个新闻瞬间传遍全世界。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。 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表在国内的期刊，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。 为什么说是世界级发现：探秘宇宙的新阶段 “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。 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是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。 不仅如此相比于此前发射的LIGO宇宙飞船探测到的天体物理高频引力波有不同的产生机制，也携带着来自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。” 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。”这个事情的难度非常大，因为它涉及到很多复杂的物理现象，包括时空结构、电磁波等等。 （编辑：聊城站长网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
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