中科院李柯伽：找到纳赫兹引力波存在的关键证据，让我们有了新的宇宙观测窗口

搜狐科技《思想大爆炸——对话科学家》栏目第17期，对话中国科学院国家天文台、北京大学天文系双聘研究员，CPTA研究团队负责人李柯伽。

嘉宾简介

李柯伽，中国脉冲星测时阵（CPTA）研究团队负责人、中国科学院国家天文台、北京大学天文系双聘研究员。工作领域主要是脉冲星和快速射电暴的观测研究，其原创性研究工作多次获奖。

划重点：

1.找到纳赫兹引力波存在的关键性证据让我们有了新的宇宙观测窗口。

2.那口“大锅”是全人类天文学家探索宇宙的利器。

3.探测纳赫兹引力波就像是在一公里长的尺度上测出几十分之一个氢原子大小的变化。

4.爱因斯坦有关引力波的预言进一步被证实了。

5.纳赫兹引力波最关键的用处就是可以让我们进一步了解星系的形成和宇宙的起源。

6.FAST发射的接收面积，比现在世界上其他国家观测脉冲星望远镜的面积加起来还要大。

出品 |搜狐科技

作者 |周锦童

编辑 |杨锦

在浩瀚的宇宙中，人类渺小得像一颗尘埃。我们无数次站在地球上遥望星空，试图探索那看不到的宇宙空间里究竟发生了什么？而引力波无疑给了我们一个观测宇宙的窗口。

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测时阵列（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性证据。

“这一成果让我们有了一个‘新’的窗口去观测宇宙。”CPTA研究团队负责人李柯伽如是说。而这一研究成果的实现依靠的就是我们十分好奇的那口“大锅”——中国天眼FAST。

李柯伽表示，FAST这口“大锅”是很关键的，它现在是世界上最灵敏的L波段无线电望远镜，它不光可以是我国的大型科学设施，也是全人类观测宇宙最重要的设施之一。

拥有FAST这口“大锅”的我们是不是就可以赶超欧美了？对此，李柯伽表示，欧洲、澳大利亚都有长期监测的传统，美国也有十九年的数据积累，但我们只有三年多的积累，数据长度很难追赶，但由于FAST接收面积大，灵敏度高，在数据测量方面精确度会很高。

李柯伽认为，现阶段我们和其他国家的研究团队是齐头并进的，“国际团队的数据虽然长但是测量误差大，我们虽然数据短但精确度高，所以我们的相关研究结果是互补的，我们也有着非常密切的合作。”李柯伽如是说。

其实引力波的信号是非常微弱的，纳赫兹引力波的探测更是困难重重，就像是要在一公里长的尺度上测出几十分之一个氢原子大小的变化，同时还要保证整个观测系统在年量级上不发生一点变化。李柯伽的团队历经二十年研究终于解决了所有困难，正如他所说：“把时间花进去，总能把相关问题解决！”

而纳赫兹引力波最关键的用处就是可以让我们进一步了解星系的形成和宇宙的起源。李柯伽表示，宇宙结构形成的时候会产生引力波，通过观测引力波可以反推宇宙结构与起源，星系的形成与变化。

在《三体》小说中，引力波成为了人类威慑三体人的通信工具。而引力波是否可以实现通信、曲率引擎是否可以存在等问题也成为了网友们关注的焦点。对此，李柯伽表示，理论上或许是有可能的，但是否能实现目前还不知道。

此外，这一研究成果也进一步验证了1915年爱因斯坦在广义相对论里提出的观点：引力是时空弯曲产生的结果——时空告诉物质如何运动，物质告诉时空如何弯曲。

在对话最后，李柯伽还谈及了未来关于纳赫兹引力波波段的研究方向。他表示，现在需要做的就是继续保持我国在相关领域研究的先进性，我们需要尽快地积累更多数据。首先要把探测到的证据进一步地确实，后续还可以去研究引力波具体的起源和物理机制等。

以下为对话实录（经编辑整理）：

搜狐科技：咱们的研究团队是如何利用中国天眼FAST测到纳赫兹引力波存在的关键性证据的？

李柯伽：我们是用中国天眼FAST望远镜，对五十七颗毫秒脉冲星开展了长期的脉冲星监测。然后利用脉冲星监测的数据来测量脉冲星发出来的脉冲到达地球的时间。脉冲星自己的转动是非常稳定的，所以它发出来的脉冲信号也是非常稳定的，但是这个信号从脉冲星到我们这是非常远的距离，这个距离在银河系尺度上，大概是几千光年。

脉冲信号会受到引力波的调制，使得脉冲星的信号到达地球的时间要不早一些，要不晚一些。这个变早或变晚的情况是被纳赫兹引力波调制的，然后我们去观测不同的脉冲星的数据，来分析到达时间变早提前或者变晚延迟的相关性，在这个相关性的基础上，找到纳赫兹引力波存在的证据。

搜狐科技：您觉得这一研究成果意味着什么？带来了怎样的影响？

李柯伽：这个结果出来以后使得我们更有信心去冲击或者说彻底地打开纳赫兹引力波观测窗口。至于它有什么样的影响，其实更多是学术上的影响，就是我们有了新的可以观测宇宙的窗口，至于这个观测窗口里后续会发现一些什么样的新事情，目前我们还不知道。

搜狐科技：我了解到我国纳赫兹引力波探测的灵敏度已经与美、欧、澳水平相当，是如何做到的？就是因为咱们拥有FAST就可以赶超欧美了？

李柯伽：我觉得这很难讲，赶超需要划定一个标准，才能说追平或赶超。欧洲有长期监测的传统，澳大利亚也有，他们到现在差不多是拥有二十多年，快三十年的数据，美国人会晚一点，他们也积累了十九年的数据。

FAST从2019年建成到现在，差不多四年，我们积累了大概三年多的数据。所以从这个数据长度角度去谈追赶的话，是很难追赶的，因为别人确实做的比我们早。但FAST的接收面积很大、灵敏度高，所以FAST在数据测量方面精确度会很高。

搜狐科技：这次的发现是不是也反向验证了FAST的价值？因为我听说当时修建那口“大锅”花了很多钱。

李柯伽：那口“大锅”其实也没有想象中的那么费钱，它的造价全部加起来大概是十二亿人民币。但是FAST这口“大锅”是很关键的，它现在是世界上最灵敏的L波段无线电望远镜。我认为它不光是我国的大型科学设施，也是整个人类观测宇宙的一个最重要的设施之一。

搜狐科技：引力波的信号其实是非常微弱的，那探测纳赫兹引力波是不是更加困难重重？

李柯伽：是的，就像我们探测到的这个引力波，这个信号的幅度大概是1E-15这样一个水平，这样直接说可能大家没有太多的概念。举个例子这就像是一公里长的尺度上边要测出几十分之一个氢原子的大小的变化。

而且由于它是纳赫兹引力波，所以它的周期非常长，它的周期变化是年量级的，所以你需要保证你整个观测系统在年量级上边不要有大的变化，才能把这个引力波所带来的变化测明白。

搜狐科技：比太阳质量大一倍或者说千亿倍的黑洞运动被人类观测到了，所以爱因斯坦1915年预言的引力波是不是被进一步证实真实存在的了？

李柯伽：是的，被进一步证实了，这个事情和爱因斯坦的广义相对论实际上是相容的。

搜狐科技：这一成果是不是可以让我们进一步了解星系的形成和宇宙的起源？

李柯伽：对的，这个是纳赫兹引力波最关键的用处。我们宇宙是有结构的，宇宙结构形成的时候会产生出引力波，通过观测引力波，我们可以反过来推测宇宙的结构是什么样的，是怎么起源的。因为这个事情直接用其他的电磁波手段去看是一个相对间接的事情，但是用引力波的话，你能直接看到，比如说星系合并的时候，中心的两个黑洞是怎么样并合相互绕转的。

搜狐科技：这个成果是不是可以进一步研究宇宙大爆炸原初时刻的物理过程？

李柯伽：这个问题在学术界是有一些讨论的。要等接下来看这个数据质量怎么样，然后再进一步深化观测，类似相关的研究是可以开展的。特别是如果纳赫兹引力波的观测和微波背景的观测结合起来的话，那么实际上在这个领域是可以有比较大的成果的。但是在标准的宇宙模型下，直接利用脉冲星测时探测纳赫兹引力波来探测原初引力波，这个事情是不太可能的，尽管只是标准模型说不可能。

搜狐科技：这一研究是不是可以意味着我们可以“知过去、知未来”？拥有这样穿越时空的可能性呢？

李柯伽：其实天文学家永远是“知过去”的。比如说一个距离我们一千光年的星星，它发出来的光到达地球的时候，其实已经是一千年以后了。所以我们知道的其实永远是一千光年前那颗星星的样子，所以天文学家永远是“知过去”，我想“知未来”这个可能比较困难。

搜狐科技：您刚才也提到了超大质量黑洞这样的一个并合这样独有的一个预言，咱们团队是怎么实现的？

李柯伽：通过勤奋工作，利用脉冲星测时的方法来研究引力波。

搜狐科技：很多网友十分好奇，未来是不是有可能像《三体》那样通过引力波实现星际之间的通信？

李柯伽：其实我个人觉得是可能的，但是具体是不是真的可以实现这个事情，我们还不知道。

搜狐科技：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。那如果时空真的可以产生涟漪，曲率引擎也是真实存在的么？

李柯伽：道理上似乎看起来是可以的，但是不知道能否做出来。

搜狐科技：未来的研究方向或发展方向是什么？

李柯伽：未来关于纳赫兹引力波波段，现在需要做的、最重要的事情就是继续保持我国在相关领域的研究的先进性。因为我们有大型设备，所以需要尽快地积累更多数据。首先是把我们探测到的证据进一步的确证；其次，数据长了以后，我们还可以去研究引力波不同的起源和物理机制等，这也是比较重要的事情。

搜狐科技：咱们在这方面的研究在国际上处于一个怎样的位置？

李柯伽：其实我们跟其他国际上不同的组织有着非常密切的合作，我们的相关研究结果是互补的。他们的数据长一些，但是每次测量的误差要大一些，而我们测量的很准确，但是我们的数据线还比较短。可以说我们的结果是互相印证，互补的。

从探测的置信度上来看， 我们稍微高一点，但也不是非常显著的高，他们比如说是三个西格玛，我们是四点六个西格玛，现阶段的话应该是处于一个齐头并进的状态。

搜狐科技：FAST优势会比其他国家的设备更有优势吗？

李柯伽：是的，因为FAST的灵敏度比较高，FAST的接收面积比现在世界上其他国家观测脉冲星的望远镜的面积加起来还要大。

搜狐科技：那咱们团队在探测的过程中有没有遇到什么瓶颈，如何解决的呢？

李柯伽：其实这个事情我们团队做的时间挺久了，到今年的七月份差不多有二十年。我们一开始是先把理论方面的工作梳理好，把数据处理的流程梳理好，然后把获取数据和观测设备相关的一些事情梳理好。中间的技术问题，二十年里逐渐解决了。返回搜狐，查看更多

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