中国天眼：“聆听”宇宙深处

　　■中国科学报记者 甘晓

　　近日，“大国重器”中国天眼（FAST）又传来好消息。截至2025年11月5日，它已发现脉冲星1170颗，远超同期其他望远镜发现总数。

　　作为一项公认的工程奇迹，FAST在投入使用后持续释放科学潜能，不断书写新的传奇，在“十四五”期间取得了一系列新突破。

　　对纳赫兹引力波的探测成果就是其中之一。2023年6月，由中国科学院国家天文台牵头的中国脉冲星测时阵列（CPTA）研究团队宣布，利用FAST对57颗脉冲星进行长达3年5个月的精密监测，首次获得纳赫兹引力波存在的关键证据。这一发表于我国本土学术期刊《天文与天体物理研究》的重大成果，标志着人类正式迈入纳赫兹引力波观测的新时代。

　　探测宇宙“低频之窗”

　　“人类终于站在了期盼已久的纳赫兹引力波观测窗口前。”纳赫兹引力波探测成果论文的通讯作者、中国科学院国家天文台/北京大学研究员李柯伽表示，“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。”

　　引力波是爱因斯坦广义相对论中的重要预言，指加速运动的有质量物体扰动时空所产生的“涟漪”。“如果把宇宙比喻成一杯水，人类已知的、能看见的东西只是其中一滴，绝大部分的宇宙是看不见的暗物质、暗能量。”李柯伽解释道，“我们只有通过追踪‘质量’的运动，才能揭开宇宙的奥秘。”

　　美国激光干涉引力波天文台（LIGO）于2016年首次在实验中直接观测到引力波。这些引力波频率较高、波长较短，由恒星级质量的双黑洞并合产生。

　　而由更大质量天体运动产生的引力波频率更低、波长更长。例如，星系中心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”，即十亿分之一赫兹。要想理解超大质量黑洞的演化过程，探测纳赫兹引力波的信号至关重要。

　　以质取胜，后发先至

　　纳赫兹引力波探测在国际上是一个竞争激烈的领域。想要探测纳赫兹引力波，则必须利用多个脉冲星。

　　科研人员解释，利用射电望远镜可以长期监测一批自转极其稳定的毫秒脉冲星，其发出的射电信号如同宇宙中最精准的“钟表”。当纳赫兹引力波经过地球与脉冲星之间时，时空产生的微弱扭曲导致脉冲到达时间出现变化，可以作为纳赫兹引力波存在的证据。这种方法被称为“脉冲星测时（PTA）”。

　　全球多个团队早已投身这场科学长跑。北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）、欧洲脉冲星测时阵列（EPTA）、澳洲帕克斯脉冲星测时阵列（PPTA），以及印度脉冲星测时阵列（InPTA）、南非脉冲星测时阵列（SAPTA）等国际团队依托各自大型射电望远镜，积累了十余年甚至20年的观测数据。在本次中国科学家取得突破之前，国际上还没有一个团队得到过确切的探测结果。

　　作为全球最大且最灵敏的射电望远镜以及全球搜寻脉冲星效率最高的射电望远镜，FAST在“十四五”期间拉开探测纳赫兹引力波的序幕，最终没有辜负中国科学家的期待。

　　科研团队一方面不断提高FAST对脉冲星的观测精度，另一方面加快创新数据处理方法，以数据精度、脉冲星数量和数据处理算法上的优势弥补时间跨度上的差距，使我国纳赫兹引力波探测灵敏度得以快速提高。

　　通过FAST对57颗高质量毫秒脉冲星的高精度测时，结合自主研发的数据处理算法，科学家在“4.6西格玛置信度”下发现了纳赫兹引力波信号，误报率小于五十万分之一。在这场20年前就开始的国际天文竞赛中，中国科学家持续发力、不断提速，终于后发先至。

　　大国重器，捷报频传

　　本次探测到的纳赫兹引力波幅度极其微小。李柯伽解释，在空间尺度上，相当于1公里距离的变化仅为1/10氢原子大小；在时间尺度上，相当于千万年仅偏差1秒。这种极致的测量精度，唯有FAST这样的超级工程才能实现。

　　“十四五”期间，除纳赫兹引力波外，FAST凭借“脉冲星搜寻利器”的性能，帮助科学家取得一批具有国际影响力的重大原创成果，使中国射电天文研究实现从“跟跑”到“领跑”的跨越。

　　其中，发现轨道周期仅53分钟的迄今最短周期脉冲星双星系统PSR J1953+1844（M71E），为双星演化理论提供了关键证据。在快速射电暴（FRB）研究方面，FAST发现了迄今唯一持续活跃的重复暴FRB20190520B，并获取最大的快速射电暴偏振观测样本，为揭示其神秘起源提供重要线索。此外，FAST在中性氢巡天、星际磁场测量等领域也取得突破，已有十余项相关成果发表于国际权威学术期刊，极大拓展了人类探索宇宙的边界。

　　这些成果背后是FAST的“超长待机”。除了每个月固定两天关机进行维护和保养外，FAST保持“全勤”，年度科学观测时长达到5300小时。

　　如今，申请观测时间的竞争仍然非常激烈，获批率约为1/5。也就是说，科学家每申请5小时的观测时间，平均只有1小时能够获得批准和支持。这反映出科学研究对高质量天文观测数据的需求之大。

　　“确保望远镜的高效运行和维护，不仅对设备性能至关重要，也直接影响到能否为更多科学研究提供支持。”中国科学院国家天文台FAST运行和发展中心团队成员、高级工程师于东俊说。

　　而FAST的运行和维护绝不是墨守成规的日常重复。在团队成员看来，要把一台巨型设备维护好，必须在高效运行的同时不断研制新技术、新方法来升级望远镜。

　　“十四五”期间，运维专家团队致力于测控系统的研发与升级，为FAST的长期高效稳定运行提供了坚实保障。

　　“FAST运行维护作业机器人系统”就是一项重磅成果。其中，“馈源舱全天候智能测量系统”基于微波测距技术，解决了野外条件下大尺度、高精度、全天候测量难题。也就是说，在这一系统的保障下，不管雨天、雾天，望远镜都可以高精度运行。

　　“反射面激光靶标维护机器人”则实现了对FAST反射面的“眼睛”——激光靶标的全自动维护。该机器人能高效完成清洁、拆卸和更换任务，解决了人工维护效率低、安全性差等问题。

　　提升性能，拓展应用

　　当前，国际射电天文学正朝着更高的空间分辨率、更精细的谱线分辨率以及更高的灵敏度方向推进，以探测到更暗弱、遥远的天体。为此，科学家希望FAST能够进一步提升灵敏度优势和优良成图能力，开展新技术研发，继续拓展其在雷达、天文学、脉冲星时间基准等领域的新应用。

　　全球范围内，FAST面临的竞争态势也日趋激烈。近年来，相关国际大科学计划相继启动，未来将给FAST的性能优势带来挑战。

　　为了始终站在射电波段视野的最前沿，FAST混合口径阵列设想应运而生，即在FAST周边30公里范围内建设由数十台40米口径天线组成的大型干涉阵列，以显著提升探测性能。近年来，FAST团队开展了相关试验样机的研制工作，并进行了技术储备和试验验证。

　　科学家期待，利用FAST这一观天利器，聚焦极端致密天体的起源与演化等当前天文学最前沿的科学问题，在时域天文、宇宙的成分与演化和引力波暴等研究领域率先取得突破性成果，打开通往更深远宇宙的“高清之窗”。

　　《中国科学报》 (2025-12-19 第1版 要闻)