QTT：加速中國引力波探測(cè)的利器

日前，激光干涉引力波觀測(cè)臺(tái)（LIGO）作為人類首次直接探測(cè)引力波的事件還在不斷引起新聞漣漪。在尋找引力波的過程中，中國的科學(xué)家在做什么呢？中科院的科研人員能夠做什么呢？

近日，中科院新疆天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)、“973”項(xiàng)目首席科學(xué)家王娜向《中國科學(xué)報(bào)》記者表示，我們已經(jīng)步入引力波天文學(xué)時(shí)代，但是要像傳統(tǒng)電磁波方法使用全波段一樣，完全打開引力波窗口，可能需要幾十年甚至更長(zhǎng)時(shí)間。

王娜告訴記者，中科院和新疆維吾爾自治區(qū)近十年來一直聯(lián)合推進(jìn)的110米口徑全可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡（簡(jiǎn)稱QTT）項(xiàng)目，其主要科學(xué)目標(biāo)之一就是利用脈沖星測(cè)時(shí)探測(cè)引力波，“目前，QTT科學(xué)目標(biāo)凝練和關(guān)鍵技術(shù)研究已基本成熟，我們完全有能力把QTT建設(shè)成為國際一流的科研裝置，支撐我國天文學(xué)家在引力波探測(cè)領(lǐng)域取得矚目成果”。

王娜介紹，依據(jù)引力波頻率和探測(cè)目標(biāo)源的不同，目前探測(cè)引力波的方法主要有三種，分別是：通過宇宙微波背景測(cè)量，如使用宇宙河外偏振背景成像儀（BICEP）；利用脈沖星測(cè)時(shí)陣測(cè)量，依賴于大口徑射電望遠(yuǎn)鏡；依靠空間和地面激光干涉儀測(cè)量，如LIGO。

脈沖星測(cè)時(shí)陣（PTA）的探測(cè)目標(biāo)是長(zhǎng)周期持續(xù)性的引力波信號(hào)，其主要觀測(cè)對(duì)象是星系超大質(zhì)量雙黑洞并合、宇宙暴漲殘余及宇宙弦等產(chǎn)生的引力波。這個(gè)方法探測(cè)的引力波幅度更大，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，探測(cè)距離更遠(yuǎn)，可以直接探測(cè)傳統(tǒng)電磁波手段無法觀測(cè)的宇宙。這為認(rèn)識(shí)極早期宇宙性質(zhì)及結(jié)構(gòu)形成提供了重要的觀測(cè)資料。

此外，基于脈沖星測(cè)時(shí)陣的引力波探測(cè)技術(shù)還可以直接測(cè)量引力波的偏振特性和引力波速度，提供在引力輻射區(qū)檢驗(yàn)引力理論的可能性，這是脈沖星測(cè)時(shí)陣相對(duì)于當(dāng)前其他引力波探測(cè)的重要優(yōu)點(diǎn)。

“可以說，基于脈沖星測(cè)時(shí)陣的引力波探測(cè)技術(shù)是LIGO等項(xiàng)目的重要補(bǔ)充和有力競(jìng)爭(zhēng)，是未來建立全波段引力波天文學(xué)的必經(jīng)之路，是探索基本相互作用規(guī)律的利器。”王娜說。

王娜進(jìn)一步指出，目前在推進(jìn)的QTT項(xiàng)目，對(duì)于最終取得大量?jī)?yōu)秀的探測(cè)數(shù)據(jù)和引力波研究成果非常重要。QTT的全可動(dòng)特點(diǎn)不僅可以觀測(cè)更多的脈沖星，還可以進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)觀測(cè)。更重要的是，QTT的高頻段觀測(cè)能夠在很大程度上可避免星際介質(zhì)對(duì)精確測(cè)時(shí)的影響。

目前，國內(nèi)引力波研究已有超過30年的歷程。但遺憾的是我國尚未建成自己的引力波探測(cè)系統(tǒng)或裝置。

我國在射電天文領(lǐng)域研究引力波已經(jīng)有了一定基礎(chǔ)。其中，新疆天文臺(tái)脈沖星團(tuán)組在利用脈沖星測(cè)時(shí)數(shù)據(jù)，開展引力波探測(cè)研究方面，與澳大利亞、美國、歐洲以及國內(nèi)引力波研究團(tuán)隊(duì)密切交流，加入國際多個(gè)引力波探測(cè)研究項(xiàng)目。

早在2006年，新疆天文臺(tái)就與澳大利亞國立天文臺(tái)、英國Jodrell Bank天文臺(tái)簽署了“澳大利亞-英國-中國脈沖星全球監(jiān)測(cè)協(xié)議”，并通過該協(xié)議加入全球脈沖星測(cè)時(shí)陣（IPTA）合作。

    王娜認(rèn)為，目前，500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）在貴州即將收官。未來，QTT和FAST將推動(dòng)我國向天文強(qiáng)國邁進(jìn)。QTT和FAST聯(lián)手，比現(xiàn)有的測(cè)時(shí)項(xiàng)目PPTA、歐洲脈沖星測(cè)時(shí)陣（EPTA）和美國納赫茲引力波項(xiàng)目靈敏度將提高至少3倍。只要充分利用FAST、QTT的優(yōu)勢(shì)來推動(dòng)中國脈沖星測(cè)時(shí)陣列（CPTA）計(jì)劃，促進(jìn)我國開啟引力波時(shí)代的天文學(xué)研究，未來就有望獲得重大科學(xué)突破。

“當(dāng)前，歐美已建成百米級(jí)全可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡，與之相比我國還有很大差距。QTT的建設(shè)目標(biāo)，就是瞄準(zhǔn)世界先進(jìn)水平，為我國射電天文裝備進(jìn)入世界前列、促進(jìn)相關(guān)高技術(shù)發(fā)展和支撐射電天文前沿突破做出貢獻(xiàn)。”王娜說。

（記者 彭科峰）