搜寻纳赫兹引力波是国际物理和天文领域备受关注的焦点问题之一。我国研究团队日前利用“中国天眼”FAST，探测到纳赫兹引力波存在的关键性证据，这是纳赫兹引力波搜寻的一个重要突破。
该研究由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（CPTA）研究团队完成，相关成果6月29日在学术期刊《天文和天体物理学研究》在线发表
引力波是宇宙中加速运动的有质量物体扰动周围时空而产生的时空涟漪。引力波信号极其微弱，却是探测宇宙中不发光物质的直接手段。由于更大质量的天体产生的引力波频率更低，对频率低至纳赫兹（10的负9次方赫兹）的引力波进行探测，对于理解超大质量黑洞、星系并合历史和宇宙大尺度结构形成等问题具有重要意义。
文章通讯作者、中科院国家天文台/北京大学研究员李柯伽介绍，纳赫兹引力波由于频率极低，周期长达数年，波长可达数光年，使得探测工作十分具有挑战性。利用大型射电望远镜对一批自转极其规律的毫秒脉冲星进行长期测时观测，是目前已知探测纳赫兹引力波的唯一手段。
此项研究中，CPTA研究团队利用“中国天眼”对57颗毫秒脉冲星进行了长期系统性监测，基于独立开发的软件，对时间跨度为3年5个月的数据进行分析研究，在4.6西格玛置信度水平（误报率小于五十万分之一）上发现了具有纳赫兹引力波特征的四极相关信号的证据。
“纳赫兹引力波探测灵敏度强烈依赖于观测时间跨度。美国、欧洲、澳大利亚科研团队已分别开展了约20年的纳赫兹引力波搜寻，CPTA研究团队充分利用‘中国天眼’优良性能，以数据精度、脉冲星数量和数据处理算法上的优势，使我国纳赫兹引力波探测和研究同步达到世界领先水平。”中科院国家天文台台长常进院士说。
据介绍，中科院国家天文台将进一步加快纳赫兹引力波探测科研攻关，积累更长期的观测数据，助力打开利用纳赫兹引力波探测宇宙的新窗口。
01、中国天眼到底是干嘛的呢？
中国天眼FAST是世界上最大的单口径射电望远镜，也是目前世界上灵敏度最高的望远镜，可以把我们探测宇宙天体的能力，拓展到137亿年前。它的英文缩写FAST是Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope的首字母，意思是“五百米口径球面射电望远镜”。它位于贵州省黔南州大窝凼的一个喀斯特洼地里⁵，于2016年9月25日落成启用。它可以用来探测脉冲星、中性氢、分子云、星系等天体现象，以及纳赫兹引力波等重大科学问题。它将让中国在射电天文领域领先世界20年。
建设研究中国天眼FAST是为了探索宇宙的奥秘，发现新的天体现象，验证物理理论，提高我国的科技水平和国际影响力。中国天眼FAST是目前世界上最大、最灵敏的射电望远镜，可以用来探测脉冲星、中性氢、黑洞吞噬小天体、星体演化、外星文明搜寻等研究。它还可以探测纳赫兹引力波，这是一种极低频的时空涟漪，可以为人类打开观测宇宙的一个重要“窗口”，肯定会有许多物理上的重大发现。中国天眼FAST还可以提高中国空间测控能力和深空通讯数据下行速率。总之，中国天眼FAST是一个具有创新意义和战略价值的大科学装置。
中国天眼是一个巨大的“耳朵”，它可以听到宇宙中很多奇妙的声音，比如脉冲星的“滴答”、快速射电暴的“咔嚓”、纳赫兹引力波的“沙沙”等等。这些声音都是宇宙中不同的天体发出的，通过听这些声音，我们可以了解天体是怎么形成的，怎么运动的，怎么变化的，甚至还可以寻找外星文明的信号。中国天眼是世界上最灵敏的“耳朵”，它可以听到其他望远镜听不到的声音，让我们能够探索更多未知的宇宙奥秘。中国天眼对人类有很大的价值，它可以帮助我们提高科技水平和国际影响力，也可以激发我们对宇宙和自然的好奇心和探索精神。
02、他的构成和工作原理是什么？
中国天眼的工作原理是通过接收天体发出的射电波来探测宇宙中的信息。射电波是一种电磁波，它可以穿透大气层，从遥远的天体传到地球。中国天眼的主要部分有两个，一个是**反射面**，一个是**馈源舱**。
-反射面是一个巨大的“碗”，它由4万多个小反射面组成，可以调整自己的位置和角度，以便接收来自不同方向的射电波。反射面的形状可以变化，有时是球面，有时是抛物面，这样可以更好地聚焦射电波。
-馈源舱是一个悬挂在反射面上方的“眼睛”，它里面装有各种接收器和仪器，可以把反射面聚焦的射电波转换成电信号。馈源舱可以在反射面上移动，以便对准不同的天体。
中国天眼的工作原理和机制非常先进和创新，它可以接收到很多其他望远镜接收不到的射电波，让我们能够探索更多未知的宇宙奥秘。
中国天眼的科学目标主要有以下几个方面：
-探测脉冲星。脉冲星是一种快速旋转的中子星，它们会发出高度稳定的射电脉冲，可以用来研究恒星演化、引力理论、宇宙时空结构等问题。中国天眼已经发现了约500颗脉冲星，是世界上最高效的脉冲星探测器。
-巡视宇宙中的中性氢。中性氢是宇宙中最普遍的物质，它可以反映宇宙的起源和演化，以及星系和暗物质的分布。中国天眼可以观测到很远的中性氢信号，帮助我们揭示宇宙的奥秘。
-搜寻快速射电暴。快速射电暴是一种极短暂而强烈的射电爆发现象，它们可能来自于黑洞、中子星或外星文明等未知源。中国天眼已经发现了多例新的快速射电暴，包括首例持续活跃的重复快速射电暴“FRB 20190520B”，为研究这一神秘现象提供了重要线索。
-其他科学目标。除了以上三个主要方向，中国天眼还可以进行其他方面的科学观测，比如观测分子云、恒星形成区、活动星系核、超新星遗迹等天体，以及寻找外星智慧生命的信号等¹。
总之，中国天眼是一个具有多种科学目标和巨大潜力的射电望远镜，它将为人类认识和探索宇宙做出重要贡献。
03、难度大、突破多，“中国天眼”在灵敏度上占据制高点
到底能建口径多大的望远镜，取决于最终找到多大的洼地。适宜的洼地非常难找，因为它要同时符合四大条件。首先要足够大、足够圆，否则只是开挖和支护成本就会让这个项目无法实现；其次，要远离人口密集区域，这样才能保证优良的电波环境；再次，不能积水，不然设备寿命难以保证；最后，还要有优良的地质条件，否则无法建成大型、高精度的天文观测设备。
从1994年到2006年，南仁东带领团队，从8000多幅地图中选出300多个洼坑，再进一步将范围缩小至几十个。团队几乎走遍这些洼地，现场踏勘，风餐露宿。最终，将台址定在贵州平塘县克度镇的大窝凼洼地。
台址确定后，如何设计、如何实现、建成之后如何调试和使用，都没有现成经验可以借鉴：关键技术无先例可循、关键材料需从头研制。
“中国天眼”设计不同于世界上已有的单口径射电望远镜，这首先体现在“视网膜”和“瞳孔”的设计上。“视网膜”指反射面；“瞳孔”指馈源舱，即放置接收宇宙外信号装置系统的舱体。
作为世界首创，“中国天眼”的“视网膜”是主动反射面，可以改变形状，一会儿是球面，一会儿是抛物面。具体来说，这张庞大的可动的“视网膜”是一张由6670根钢索编制的索网，挂在一个由50根巨大钢柱支撑的直径500米的圈梁上；索网上铺有4450块、380多种反射面单元；索网下方是2225根下拉索，每一根下拉索都被固定在地面上的作动器上，通过操纵作动器，拉动下拉索来改变索网形状，从而对天文信号进行收集和观测。
“中国天眼”的“瞳孔”即馈源舱，也是一个大胆的突破性设计。大多数传统射电望远镜的“瞳孔”位置是固定的，或仅可以微调。“中国天眼”则完全不同，采用的是全新的轻型索驱动控制系统，这让“中国天眼”的“瞳孔”可以自如改变角度和位置，更有效地收集、跟踪、监测更丰富的宇宙电磁波。
从体量来说，原世界第一大射电望远镜的馈源舱重1000多吨，“中国天眼”馈源舱重仅约30吨。体积小带来多方面的优势，比如可有效减少光路遮挡、减少干扰信号，从而让波束非常干净，更有利于天文观测。
“中国天眼”在设计上的突破创新，为“从图纸到现实”的制造带来巨大挑战。而应对挑战的过程，也正是国产精准制造不断创造奇迹的过程。比如，要实现反射面（即索网）可改变形状这个世界首创设计，要求构成索网的钢索像弹簧一样有一定伸缩性，疲劳强度是现有标准的两倍多，国际上未有先例；还要求每根钢索的加工精度要达到1毫米，把传统标准提升了一个数量级。
两年来，科学家们持续全方位地改进索体工艺，一根钢索要进行200万次疲劳实验。经历了近百次的失败后，最终成功解决了这个关键问题，实现了3项世界创举：超大跨度、超高精度、主动变位式的索网结构。
建设完成之后，“中国天眼”进入调试阶段。巨型望远镜调试涉及天文、测量、控制、电子学、机械、结构等众多学科，是强交叉学科的应用性研究，国际上传统大射电望远镜的调试周期很少低于4年。“中国天眼”开创了新模式，其调试工作也更具挑战性。
截至目前，已经实现跟踪、漂移、运动扫描、编织扫描等，提前完成功能性调试。在性能调试方面，“中国天眼”直径500米，却要实现毫米级的精度，难度相当大。当前，望远镜测量基准网的精度已提升至1毫米以内，其中，灵敏度水平是世界第二大望远镜的2.5倍，这是中国建造的望远镜第一次在灵敏度这个参数上占据制高点。另外，19波束已经完成安装，其意义也非常重大：可将望远镜视场扩大至原来的19倍，大幅提升望远镜的巡天效率。
文章来源： 上进光束xO，人民日报，新华网