——记中国科学院上海天文台研究员刘阔

　　　李白薇  张锦玉

　　2023年6月，全球各个区域脉冲星计时阵合作组织，包括欧洲脉冲星计时阵（EPTA）、中国脉冲星计时阵（CPTA）、北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）、帕克斯脉冲星计时阵（PPTA）等同时宣布，对宇宙的低频交响——纳赫兹引力波的搜寻取得了重要进展。此项成就，预示着对纳赫兹引力波的确凿探测，极有望在短期内成为现实，代表着引力波天文学的重要里程碑。

　　基于此，在2025年年初一年一度的英国皇家天文学会（RAS）奖项发布中，上海天文台研究员刘阔所在的EPTA团队赫然在列——荣获了RAS 2025年团队成就奖，以此奖励他们在探测和研究纳赫兹引力波方面所取得的突破性进展。

　　“下一步，我们希望能取得纳赫兹引力波的首次确凿探测，或者说高置信度探测。”刘阔介绍，纳赫兹引力波是宇宙中一种极低频的引力波信号，其频率范围为10-10至10-6赫兹，波长可达数光年。这类引力波信号可由超大质量双黑洞系统的轨道运动、宇宙早期相变及宇宙弦振荡等物理过程产生，能够揭示极端环境下的物理规律，并为人类理解宇宙的起源和演化提供全新视角。

纳赫兹引力波是什么？

　　“我们研究的主题‘引力波’，其实就是时空的波动，并以波的形式进行传播。”刘阔介绍，所有的研究内容实际上都是基于广义相对论中爱因斯坦场方程推导出来的预言。

　　这一切，还得从100多年前开始讲起。

　　1905年的一天，还在瑞士专利局做着普通专利审查工作的爱因斯坦，忽然产生了一个自己都为之震惊的想法：如果一个人自由下落，他将不会感到自己的重量。

　　想象一下，在一个密闭空间中有一个自由落体者，这时，他将无法通过实验来辨别，自己所处的密闭空间是正在以某一加速度做自由落体运动，还是正在外太空的无重力区飘浮。假设这时再对这一密闭空间添加恒力使它以某一加速度上升，这时空间中的人会感到自己的脚被压到地板上，而抛出的物体也会加速运动落在地上，就像在地球上一样。那么，如何判断这一运动是受到引力的作用还是恒力加速度的作用？

　　爱因斯坦将之称为等效原理，即以局域效应来看，引力和加速度是等效的，二者只是同一种现象的不同表现形式。再回到这一密闭空间，爱因斯坦又发现了一些神奇的结果：当一束光线从墙壁上的小孔中穿过时，到达对面墙壁后与地板的距离会略微减小，因为密闭空间在此过程中被急速拉升。如果画出光线在这一密闭空间中的轨迹，会发现由于存在向上的加速度，光线发生了弯曲。而等效原理认为，不论是加速上升，还是静止于引力场中，其效果都是相同的。也就是说，光线穿过引力场时也会发生弯曲。

　　至此，一座新的理论大厦——广义相对论，也就是描述物质间引力相互作用的理论体系已具雏形。1915年，爱因斯坦完成了这一理论体系的基础搭建，并于1916年正式发布。

　　广义相对论首次将引力场解释为时空的弯曲。在这一理论中，有质量的物体会使它周围的时空发生扭曲，物体的质量越大，时空扭曲的程度就越显著。当有质量的物体做加速运动时，这种时空的扭曲会以波的形式向外传播，这就是引力波。广义相对论及诸多其他的引力理论均预言了引力波的存在。

　　“但这种信号是十分微弱的，也就是说我们能够探测到的引力波信号一定是来自质量非常大的天体，经历一些如碰撞等剧烈的加速运动所产生的引力波信号才能在地球上被探测到。”刘阔介绍。

　　就像往水中投石，质量越大的物体产生的涟漪传得越远一样，在宇宙中存在的天体质量越大，造成周围时空扭曲的程度也越高。但相应的，更大质量的天体，其所产生的引力波频率很可能会较低。不同引力波探测器，通常只对某个频率范围内的引力波敏感。加上引力波信号本身是极其微弱的，这导致引力波的探测异常艰难。自1916年首次被预言存在后，引力波的首次探测整整经历了100年的时间。

　　2016年，美国激光干涉引力波天文台宣布在百赫兹频段探测到恒星级质量双黑洞并合产生的引力波，并因此获得了2017年诺贝尔物理学奖。这一事件同时开辟了“引力波天文学”这一全新的学科领域。

　　目前，高频引力波（百赫兹频段）的探测器主要是通过地面的激光干涉仪来测量，如首次发现引力波的激光干涉引力波天文台（LIGO）；较低频的引力波（毫赫兹频段）主要是通过空间的激光干涉仪，如欧洲激光干涉空间天线（LISA）计划，我国太极、天琴等探测器等。相较而言，极低频的纳赫兹引力波探测更加艰难了。

　　目前，宇宙中质量最大的天体——星系中心的超大质量双黑洞系统，绕转产生的引力波主要就集中在纳赫兹频段，其频率范围为10-10至10-6赫兹，波长可达数光年。无论是从时间尺度还是空间尺度来看，纳赫兹引力波的探测难度都非常高。几十年来，各国天文学家一直在为之不断努力，发现纳赫兹引力波更是国际物理和天文领域竞赛的焦点之一。

　　“现在对纳赫兹引力波的搜寻和探测，一般通过脉冲星计时阵这一独特的观测手段来实现。”刘阔介绍。

为什么要用脉冲星？

　　在浩瀚无垠的宇宙星河中，脉冲星绝对是非常特殊的那一“颗”。

　　作为中子星的一种，脉冲星的直径大约在20千米。由于其规律的自转，脉冲星能够产生周期性的脉冲信号，并被在地球上的人们所观测到。因其发射的脉冲信号太过规律，最早还被怀疑是外星人向地球发来的联系电报。

　　其中，自转极快（可达每秒超700圈）的这一类脉冲星，被称为“毫秒”脉冲星。“毫秒脉冲星可以说是目前宇宙中最精准的时钟之一。”刘阔介绍，目前地球上已经能够做出在一天、一个月甚至一年的尺度中非常精准的原子钟，但若把时间尺度拉长到10年、20年来看，恐怕现在也只有脉冲星能做到了。

　　在没有其他因素干扰的情况下，我们在地球上通常能够规律地接收到来自脉冲星的信号。但如果这其中有一些来自其他因素的细微干扰，脉冲星信号到达地球的时间会不会受到影响呢？

　　实际上，脉冲星就是我们用来探测纳赫兹引力波的一个强有力工具。刘阔介绍，把脉冲星当成一个超高灵敏度的时钟，通过对毫秒脉冲星信号到达地球的时间进行长期监测，即开展脉冲星计时分析，可探测到影响信号到达时间的时空细微扰动，如引力波等。而同一引力波源对不同脉冲星信号到达时间的影响，会呈现特殊的“四级”相关性。因此，通过研究不同脉冲星计时数据之间的相关关系，可构建一个银河系尺度的引力波探测器。

　　不过，如何证明脉冲星信号的变化一定来自引力波的干扰？是否还有其他的因素对其产生影响？

　　事实上，这也是刘阔和团队研究时面临的主要难点。他介绍，所有的探测器实际上都需要解决“噪声”问题，就像LIGO、LISA等引力波探测器一样，重中之重就是要理解探测器里面的噪声有哪些、如何把噪声成分和真正的引力波信号区分开来，脉冲星计时阵也是一样。

　　每颗脉冲星都有计时的噪声，主要分为两类：一是白噪声，也就是高频噪声，比如仪器本身、脉冲星信号短时间的变化等；第二个就是低频红噪声，比如脉冲星长期自转的不稳定性、星际介质对脉冲星射电波信号所造成的时延等。

　　“因此，我们在做脉冲星计时阵引力波探测时，就是要把所有的这些噪声和真正的引力波信号区分开来，这也是我们内部研究面临的一个主要难点。”刘阔说道。

　　2023年6月，作为EPTA与国际脉冲星计时阵（IPTA）合作组织的核心成员，刘阔与全球合作者协同发布了首个宇宙中引力波背景辐射存在的重要线索——具有纳赫兹引力波特征的四极相关信号。此项成就，预示着对纳赫兹引力波的确凿探测，极有望在短期内成为现实，代表着引力波天文学的重要里程碑。其中，刘阔主要牵头了EPTA的第二次数据释放和高精度脉冲星计时的工作。此项工作整合了欧洲6台百米级望远镜对25颗毫秒脉冲星长达25年的观测数据，取得了百纳秒量级的脉冲星计时精度。

　　值得一提的是，在这次重大突破中，中国脉冲星计时阵（CPTA）团队还有中国天眼（FAST）也作出了重要贡献。刘阔介绍，凭借FAST的优异探测性能，研究团队短时间内积累了非常高精度的数据，通过对这些数据进行分析，最后同样发现了纳赫兹引力波存在的关键证据。

　　“但这还不够，业界一般公认的重大结果的发布标准需要一个非常高的置信度，比如5西格玛。而目前发布的结果，均达不到这一标准。所以，我们这次在发布时用到的词语也是‘线索’。此外，对于信号的起源还没有一个统一的定论。”刘阔说道，“希望下一次能取得一个更高置信度的确凿探测，实际上这也是目前相关领域的下一个制高点。”

离宇宙真理更进一步

　　刘阔对天文学的热爱，实际上从很早的时候就已经开始了。

　　2002年，还在就读高中的刘阔参加了国内第一届天文奥赛。赛事方还给学生组织了一个夏令营，并且带他们参观了北京大学天文系。也就是这次经历让刘阔确定了自己热爱的领域，并在高考志愿中填报了北京大学物理学院天文系。不过没想到的是，之后他却被调剂到了地球与空间科学学院。

　　尽管如此，刘阔还是瞄准自己的方向，在发现无法实现转专业之后，他一方面选择了学院中最靠近天文学的空间物理专业，另一方面在完成本专业基础课程的同时，还选修了许多天文专业相关的课程。不仅如此，就连本科生毕业设计他也是找天文系老师做的指导，论文也与天文学相关。

　　“我觉得北京大学在选课这方面做得真的挺好的，给予了学生很大的自由度。就算不是某个学院的学生，也可以选修这个学院老师开设的课程。甚至毕业设计，也可以选择跨专业的老师来进行指导。所以，虽然我的本科学位是空间物理学，但经过4年的本科学习，在天文学方面也积累了很多专业知识和研究经验。”2007年，在获得北京大学空间物理学学士学位之后，刘阔选择在自己喜欢的领域继续深造，并于2012年获得英国曼彻斯特大学卓瑞尔河畔天体物理中心天文与天体物理学博士学位。

　　就像在引力波探测过程中，需要不断排除噪声干扰一样，刘阔也是经历了一番波折，最后终于回归了自己真正热爱的领域。

　　在国外留学研究期间，刘阔还曾于2011—2012年和2012—2014年分别在德国马普射电天文研究所和法国巴黎天文台下属楠赛射电天文台从事博士后研究工作。从2014年一直到2023年选择回国之前，他被聘为马普射电天文研究所科学研究人员（Scientific Staff），主要研究方向包括高精度脉冲星计时及引力波探测、脉冲星双星系统中的引力检验、脉冲星射电辐射特性、脉冲星搜寻、干涉阵脉冲星观测技术等。

　　在这期间，刘阔还在EPTA合作组织中担任执行委员会委员（组织高级管理层，共3人），并主持欧洲大型脉冲星阵列（LEAP）工作组，且目前正在共同主持EPTA数据整合与计时工作组。作为负责人（PI），他目前已获得约2300小时射电望远镜观测时间。作为合作牵头人（Co-I），他还于2017年发起了德国马普协会-中国科学院低频引力波天文学和引力物理合作项目，于2018年获得FAST杰出学者的称号，于2022年入选国家高层次人才项目。

　　2019年4月，作为事件视界望远镜（EHT）合作组织中的重要成员，刘阔还与团队一起发布了史上第一张黑洞的照片，并在组织中共同牵头了利用EHT数据在银河系中心搜寻脉冲星的工作。同时，他为阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）开发的相控阵观测模式，已于2021年投入使用。基于此，他与EHT团队一起荣获了2020年科学突破奖及2021年英国皇家天文学会团队成就奖。

　　现在，全职回国加入中国科学院上海天文台的刘阔，仍然带着对宇宙奥妙的无限热情在脉冲星计时及引力波探测方面持续探索研究，目前他还在与国际合作者共同牵头IPTA第三次数据释放（IPTA DR3）这一合作组织旗舰项目。此项目将构建迄今为止最灵敏的脉冲星计时阵列（PTA）数据库，并极有望从中实现纳赫兹引力波，尤其是引力波背景辐射的首次确凿探测。