中国天眼FAST（500米口径球面射电望远镜）又立功了！近日，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计时阵（CPTA）研究团队，利用中国天眼FAST探测到纳赫兹引力波存在的关键证据，表明我国纳赫兹引力波研究已达到与国际同步领先水平。相关论文在中国天文学学术期刊《天文学与天体物理研究（RAA）》上在线发表。
人类终于站在了期盼已久的纳赫兹引力波宇宙观测窗口前。那么，FAST是如何探测到引力波的？纳赫兹引力波探测与2017年获得诺贝尔奖的引力波探测有何不同？这一研究成果的意义何在？听听中科院计算机网络信息中心张文涛是怎么说的。
“时空涟漪”有助于发现宇宙中的暗物质
要想知道引力波是什么，得从一百多年前开始。
1915年，爱因斯坦发表了广义相对论，这是一个全新的理论，它告诉我们引力是时空弯曲的结果——时空告诉物质如何运动，物质告诉时空如何弯曲。简而言之，广义相对论中的引力不是一种“力”，而是时空的弯曲。
我们可以将时空想象成一片平静的水面。质量巨大的物体可以导致时空本身发生弯曲。如果宇宙中质量巨大的物体发生剧烈加速，比如超新星爆炸、两颗巨大恒星的碰撞，或者两颗致密恒星的合并（中子星与黑洞等恒星的碰撞合并），就好比向平静的水面扔了一块石头，导致时空本身出现“涟漪”。这些“涟漪”携带着有关源天体剧烈湍流的信息以及有关引力本质的线索，并以光速向远处传播。这种时空“涟漪”就是引力波。
宇宙中发光物质极少，大部分（约95%）都是真实存在的、永恒的“黑暗”——暗物质和暗能量。无论望远镜多么先进，这些“黑暗”都无法被人类看到。引力波为人类提供了探索宇宙的新途径，让我们知道看不见的宇宙空间里到底发生了什么。
引力波可以直接追踪宇宙中大质量物体的运动（无论是否可见）。通过引力波观测，我们可以捕捉到“黑暗”的线索。例如，2015年人类探测到的第一道引力波是距离地球10亿光年的遥远星系中两个恒星黑洞的合并。在过去，人类无法想象知道这个过程。
引力波不仅极大地拓展了我们对宇宙的认知，而且对物理学也有重要意义。通过对引力波的探测，我们可以检验现有的引力理论，以及人类对时间和空间的基本认识是否正确。
探测引力波需要不同的“尺子”
探测引力波的基本原理是“引力波经过的地方网校头条，空间的长度会发生周期性的拉伸和收缩”。也就是说，当引力波经过时，与其垂直的平面会处于不断膨胀和收缩的状态：横向收缩，纵向就会拉伸；横向拉伸，纵向就会收缩。空间本身的变形，会导致其中的物体也发生变形。一旦探测到这种变形，就意味着观测到了引力波。
有人会问，美国科学家不是借助 LIGO（激光干涉引力波天文台）探测到引力波并获得了诺贝尔奖吗？为什么还需要其他设备（比如 FAST）来探测？答案是：不同的天文事件会产生不同频率的引力波，需要不同的“尺子”来测量。引力波的频率越低，波长就越长，因此承担测量功能的“尺子”也就越长。
频率为10-的引力波是由恒星双黑洞和双中子星并合产生的。这些波源距离地球比较近，可以被上文提到的激光干涉引力波天文台探测到。它的“尺子”是两根相互垂直、长度为4公里的管道，激光就是在管道中穿行的。具体来说，在引力波的影响下物理学家探测引力，激光所走的“路径”长度会发生有规律的变化，而激光干涉仪可以将引力波引起的长度变化转化为激光干涉结果的光强变化。因此，通过测量激光干涉结果的变化，就能够捕捉到引力波。
如果把基于同样原理的激光干涉仪装置放到天空中，“尺子”可以长达数百万公里，可以捕捉到毫赫兹波段的引力波（由双星自转和大质量黑洞俘获致密星产生）。欧洲的LISA计划和中国的太极计划、天琴计划以及其他空间引力波探测装置，都是利用卫星组成干涉仪网络，进行长距离干涉测量。
所以，如果想探测宇宙更远处超大质量双黑洞、宇宙弦引起的更低频率的引力波（即周期为数年的纳赫兹级引力波），就需要一根更长的“尺子”。目前已知的唯一探测手段，是利用大型射电望远镜观测宇宙中的脉冲星。很多人可能想不到，中国天眼FAST探测引力波所用的脉冲星计时阵，居然有银河系那么大。至于极低频段（10-16Hz）的引力波探测，则需要借助宇宙微波背景辐射，比如南极、西藏阿里的观测项目。
因此，各个探测设备分别探测不同的引力波信号，相互补充，不能互相替代。
探测纳赫兹引力波有多难？
探测频率低至纳赫兹的引力波可以观测到更深层的宇宙，有助于天文学家理解宇宙结构的起源，探测宇宙中质量最大的天体即超大质量黑洞的成长、演化和合并过程，也有助于物理学家洞悉空间和时间的基本物理原理。
目前，如果想要探测纳赫兹引力波，必须使用脉冲星，或者更准确地说，是一组脉冲星。
脉冲星是一种具有强磁场和高速旋转的中子星，它旋转得非常稳定，每隔一定时间就会发出脉冲信号，如果不受到其他因素的影响，我们在地球上是可以稳定接收到这种信号的。
脉冲星的脉冲到达地球的时间极其有规律，而引力波经过区域的空间相对长度会周期性地拉伸和收缩。这自然就引发了一个假设：如果引力波经过地球与脉冲星之间的区域，脉冲星发射的信号就会发生变化，从而改变信号到达地球的时间。这很容易理解，只要观测到脉冲信号到达地球的时间变化，就相当于探测到了引力波。这就是利用脉冲星计时（PTA）探测引力波的基本原理。
为什么不能只观测一颗脉冲星就探测到引力波呢？因为单凭一颗脉冲星，我们不知道探测到的信号是引力波、脉冲星噪声，还是其他虚假信号。必须利用多颗脉冲星的关联方法，找到相关信号，才能将引力波与噪声区分开来。如果发现多颗脉冲星同时发生一定的规律性变化，就可以证明探测到了引力波。其中，利用大型射电望远镜对一组极其稳定的毫秒脉冲星进行长期定时观测，是目前已知的唯一探测纳赫兹引力波的手段。
纳赫兹引力波探测是国际上竞争激烈的领域，相关设想早在1983年就被提出，国际上探测团体包括北美纳赫兹引力波天文台（NAGO）、欧洲脉冲星计时阵列（EPTA）、澳大利亚帕克斯脉冲星计时阵列（PPTA）、印度脉冲星计时阵列（InPTA）、南非脉冲星计时阵列（SAPTA）、中国脉冲星计时阵列（CPTA）等。
但由于纳赫兹引力波引起的空间和时间变化十分微弱，而引力波的周期也是年量级（空间和时间的变化以年为单位），因此它的探测无论在物理尺度还是时间尺度上都非常“庞大”，不仅需要建造星系级的探测器（脉冲星计时阵列），而且需要经过长时间的观测才能发现周期为数年的信号。
在中国FAST探测到纳赫兹引力波存在的关键证据之前，国际上尚无任何研究小组获得明确的探测结果。
“天眼”获取了哪些关键证据？
2016年6月，中国科学院启动了nHz引力波的初步研究，并联合北京大学、中国科学院新疆天文台、云南天文台、上海天文台、国家授时中心、广州大学等相关机构成立了中国脉冲星授时阵研究团队。2019年上半年，中国天眼FAST开展了试观测，拉开了nHz引力波探测的序幕。
然而脉冲星计时阵列探测纳赫兹引力波的灵敏度强烈依赖于观测时间跨度，即随着观测时间跨度的增加，灵敏度迅速增加。
、EPTA、PPTA分别利用各自的大型射电望远镜对纳赫兹引力波进行了长达20年的搜寻。在这一领域，中国脉冲星计时阵列研究团队虽然是“后来者”，但凭借数据精度、脉冲星数量、数据处理算法等方面的优势，弥补了时间跨度的差距。
中国天眼FAST是目前世界上规模最大、灵敏度最高的射电望远镜，也是世界上搜寻脉冲星效率最高的射电望远镜，迄今已发现740余颗新脉冲星。面对观测时间跨度远短于美、欧、澳三大国际团队的不利局面，中国脉冲星计时阵研究团队充分利用FAST灵敏度高、可监测脉冲星数量多、测量精度高等优势，对57颗毫秒脉冲星进行了长期系统监测，并把这些毫秒脉冲星组合成银河系大小的引力波探测器，搜寻纳赫兹引力波。团队自主研发了独立的数据分析软件，对中国天眼FAST在3年5个月的时间跨度内采集的数据进行了分析研究，发现了具有纳赫兹引力波特征的四极子相关信号证据。
此次测量到的引力波特征振幅非常小，约为4×10-15，这意味着其引起的空间和时间变化极其微弱。就距离而言，1公里尺度上的引力波引起的扰动大约是氢原子大小的百分之一；就时间而言，在数千万年的尺度上，它只变化了1秒。也就是说，纳赫兹引力波的探测正在挑战人类精密测量的极限。
关键证据由四个国际团队独立获取、发表并相互验证，表明我国纳赫兹引力波探测灵敏度已达到与美国、欧洲和澳大利亚相当的水平物理学家探测引力，从而同时实现这一重大科学突破。
中国脉冲星计时阵研究团队目前还无法确定纳赫兹波段引力波的主要物理来源，其他国际团队也无法确定。但随着中国天眼FAST后续观测数据时间跨度的增加，这一问题将得到解决。由于中国脉冲星计时阵研究团队目前的数据时间跨度相对较短，数据时间跨度的增加带来的效果将更加明显。例如，如果数据时间跨度再增加3年5个月，中国脉冲星计时阵研究团队的数据时间跨度将增加一倍，而其他国际团队只会增加不到20%。
未来将建设纳赫兹引力波观测站
作为全球最大、灵敏度最高的单口径射电望远镜，中国天眼FAST将使中国在射电天文学领域领先世界20年。从跟随到领先，这背后是中国科技实力的不断提升。
未来，我们还将看到中国天眼FAST的扩建升级，实现基于脉冲星计时阵列法对纳赫兹引力波事件的常规观测，从而建成纳赫兹引力波天文台，开启更高灵敏度、更高分辨率的低频射电观测研究新时代。
2003年6月29日，一位中国博士生赴澳大利亚，开启了他利用脉冲星探测引力波的科研生涯。20年后的今天，这位博士生已经成为中国脉冲星计时阵研究团队的领军人物，利用中国天眼FAST发现了纳赫兹引力波存在的关键证据。他就是李克佳研究员。他的经历或许再一次印证了那句话：“FAST最大的意义在于极大地拓展了人类的视野，让中国天文学家第一次站在了人类视野的最前线。”
没有人知道中国的天眼FAST究竟能对天文理论作出什么样的贡献，但可以肯定的是，它会作出更多的贡献。