“天琴”：“面壁”打造國內(nèi)空間引力波探測計(jì)劃

王佳雯

30余年防空洞“面壁”打造國內(nèi)空間引力波探測計(jì)劃

3月底，“天琴”空間引力波探測科學(xué)目標(biāo)研討會在珠海召開，項(xiàng)目組不同課題的負(fù)責(zé)人介紹了空間引力波探測項(xiàng)目“天琴”計(jì)劃的最新研究進(jìn)展。

自引力波被發(fā)現(xiàn)至今，科學(xué)界始終對我國引力波探測計(jì)劃十分關(guān)注。諸如，我國該不該繼續(xù)推進(jìn)引力波探測計(jì)劃？我國是否有能力與國際相關(guān)引力波探測項(xiàng)目一較高下？這樣的討論時(shí)時(shí)出現(xiàn)。

如今，中山大學(xué)校長、中科院院士羅俊以及華中科技大學(xué)引力實(shí)驗(yàn)中心科研團(tuán)隊(duì)一一給出了答案。

發(fā)現(xiàn)引力波

只是開始

去年10月，2017年諾貝爾物理學(xué)獎被授予美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）引力波探測“三劍客”：基普·索恩（Kip Thorne），雷納·韋斯（Rainer Weiss）和巴里·巴里什（Barry Barish）。

至此，談到引力波，很多人的問題也從“引力波是什么”，變成了“諾獎已被引力波團(tuán)隊(duì)摘得，我國為什么還要探測引力波”。但拋開心向諾獎的功利主義思維，對科學(xué)研究而言，發(fā)現(xiàn)引力波遠(yuǎn)非終點(diǎn)，而只是開端。

“引力波天文學(xué)是非常豐富的?！绷_俊在華中科技大學(xué)引力實(shí)驗(yàn)中心介紹稱，不同的引力波探測頻段，對應(yīng)的天文學(xué)現(xiàn)象大不相同。

如天琴計(jì)劃所對應(yīng)的探測頻段為10-2到10-4Hz，對應(yīng)的天文事件為雙星系統(tǒng)，如中等質(zhì)量黑洞、中子星、白矮星等雙星繞行、并合等?！斑@個(gè)頻段有很多宇宙演化過程，有豐富的物理、天文學(xué)現(xiàn)象?！绷_俊坦言，當(dāng)初選擇這一頻段，也是經(jīng)過了細(xì)致的考慮。

2013年，仍在華中科技大學(xué)任職的羅俊和團(tuán)隊(duì)探討并提出天琴計(jì)劃時(shí)，全球科學(xué)家仍未探測到引力波?！按_立引力波是否存在”自然成為該計(jì)劃的第一要務(wù)。

如今，LIGO團(tuán)隊(duì)已確定了引力波的存在，但這并不意味著如“天琴”計(jì)劃這樣的引力波探測計(jì)劃失去了存在的價(jià)值。

“LIGO探測到的主要是雙黑洞等系統(tǒng)并合時(shí)間段的引力波信息，信息量有限。這意味著空間引力波探測更有意義，因?yàn)槠洳ㄔ锤S富，對應(yīng)更豐富的天體物理過程，此外還可以和地基引力波進(jìn)行組合探測實(shí)現(xiàn)多波段的引力波探測，獲取宇宙演化更多的信息?！比A中科技大學(xué)教授、科技部引力波論證專家組成員周澤兵解釋道。

換言之，發(fā)現(xiàn)引力波只是打開了天文觀測的一扇新窗戶，而窗外是更廣闊的空間亟待科學(xué)家去探索。

難于大海撈針的技術(shù)如何突破

引力波是時(shí)空形變的傳播，時(shí)空會因引力波源的擾動產(chǎn)生微小的波動，在一個(gè)方向拉伸，在另一方向壓縮，時(shí)空不斷拉伸變化便是引力波。空間兩點(diǎn)之間的距離會因?yàn)橐Σǖ拇嬖诙l(fā)生改變，而探測難點(diǎn)在于，引力波效應(yīng)十分微弱，相距十多萬公里的空間兩點(diǎn)之間的距離改變一般為10～12米量級，相當(dāng)于一根頭發(fā)絲直徑的千萬分之一。

用于探測引力波的“天琴”計(jì)劃是由三顆全同衛(wèi)星組成一個(gè)等邊三角形陣列，衛(wèi)星距離地球高度為10萬公里，兩星相距約17萬公里。這意味著，相距17萬公里的兩顆衛(wèi)星，要測量出千萬分之一頭發(fā)直徑的距離按照特定規(guī)律發(fā)生的變化。

“精密測量研究最精密、最困難的大概就是引力波探測?！绷_俊說。

不過，在實(shí)現(xiàn)利用激光測距進(jìn)行深空與高軌衛(wèi)星的精密定軌方面，“天琴”計(jì)劃的第一步已經(jīng)成功邁出。

今年1月，“天琴”團(tuán)隊(duì)與中科院云南天文臺激光測距團(tuán)組合作，利用云南天文臺1.2米望遠(yuǎn)鏡激光測距系統(tǒng)，成功探測到Apollo15月面反射器返回的激光測距回波信號，在國內(nèi)首次成功實(shí)現(xiàn)月球激光測距，為高軌衛(wèi)星精密定軌奠下技術(shù)基礎(chǔ)。

而在該實(shí)驗(yàn)成功前，我國激光測距范圍只能達(dá)到四萬公里，遠(yuǎn)不能滿足天琴計(jì)劃所需的十萬公里距離要求。

激光測距獲得突破，科學(xué)家還需要考慮探測器所受到的一系列干擾因素，如高能粒子、太陽磁場、空間磁場等復(fù)雜空間環(huán)境的影響，以及飛行器自身形變的干擾。

為了盡可能地避免干擾，飛行器不僅入軌要非常準(zhǔn)確、兩星距離精準(zhǔn)之外，探測器的內(nèi)部環(huán)境更要盡可能安靜?！坝泻芏啵顩r）是現(xiàn)在不能想象的?！绷_俊說，“說通俗點(diǎn)，有點(diǎn)像大海撈針，但比大海撈針還困難?！?/p>

30余年堅(jiān)守期待加速推進(jìn)

2016年LIGO宣布人類首次直接探測到引力波后，人們陸續(xù)關(guān)注到了國內(nèi)的引力波探測計(jì)劃。然而，為大眾所忽略的是，計(jì)劃推出前科研團(tuán)隊(duì)幾十年的積累與沉淀。

羅俊接受采訪的場所，被稱為華中科技大學(xué)引力實(shí)驗(yàn)中心。說是實(shí)驗(yàn)室，實(shí)際上是一個(gè)依山而建的防空洞。

因滿足超靜超穩(wěn)的實(shí)驗(yàn)要求，對引力實(shí)驗(yàn)而言，這是一個(gè)絕佳的研究場所，但對于科研人員而言卻絕不是一個(gè)良好的工作環(huán)境。潮濕、不通風(fēng)，團(tuán)隊(duì)成員長期在這種環(huán)境下工作，身體一度出現(xiàn)了白化、脫發(fā)等狀況。

在這樣的條件下，羅俊帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)“面壁”30余年，從引力常數(shù)測量、空間慣性傳感器研制到激光測距研究，從理論研究到工程實(shí)現(xiàn)，一步步積累讓引力波探測成為自然而然的選擇和方向。

科學(xué)家探索未知的樂趣，常常不能以功利的視角考量，但依靠引力波探測這一宏大科學(xué)目標(biāo)的牽引，所帶動的一批技術(shù)突破卻現(xiàn)實(shí)可見。

華中科技大學(xué)引力中心主任涂良成介紹道，引力波的研究對儀器的精度和實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度要求都很高，比如全球重力場測量、航空重力勘探技術(shù)、精密傳感技術(shù)、超靜超穩(wěn)衛(wèi)星平臺技術(shù)、星間激光測距技術(shù)、高軌衛(wèi)星精密定軌、多星精密編隊(duì)技術(shù)、重力輔助導(dǎo)航技術(shù)等，都是在這一過程中不斷精確化的結(jié)果。

正因有幾十年的積淀，在談到歐洲類似的空間引力波探測項(xiàng)目LISA將于2034年升空時(shí)，羅俊才說“我們很有可能會走在他們前面”。

雖然有信心，但羅俊仍希望國內(nèi)相關(guān)研究推進(jìn)力度能再大些?！耙Σù蠹叶颊J(rèn)可覺得重要，它打開了解宇宙觀測宇宙的新窗口。但如何做，技術(shù)路線要在全國廣泛達(dá)成共識需要一個(gè)過程，這很正常。”他相信，隨著研究不斷地推進(jìn)，屆時(shí)國內(nèi)科學(xué)家一定會形成共識，推動國內(nèi)空間引力波探測加速發(fā)展。

中國布局

引力波探測

美國科學(xué)家宣布成功探測到引力波后，證實(shí)了愛因斯坦引力理論的最后一項(xiàng)預(yù)言，震動世界。中國也正在積極布局引力波探測和研究，中國科學(xué)院2016年2月16日公布了空間引力波研究與探測的“空間太極計(jì)劃”。

按照這一計(jì)劃，中國將在2030年前后發(fā)射三顆衛(wèi)星組成的引力波探測星組，用激光干涉方法進(jìn)行中低頻波段引力波的直接探測。主要科學(xué)目標(biāo)是觀測雙黑洞并合和極大質(zhì)量比天體并合時(shí)產(chǎn)生的引力波輻射，以及其他的宇宙引力波輻射過程。

據(jù)介紹，空間引力波探測被列入了中科院制訂的空間2050年規(guī)劃。2008年由中科院發(fā)起，中科院多個(gè)研究所及院外高校科研單位共同參與，成立了中國科學(xué)院空間引力波探測論證組，開始規(guī)劃中國空間引力波探測在未來數(shù)十年內(nèi)的發(fā)展路線圖。

“空間太極計(jì)劃”涉及學(xué)科領(lǐng)域和前端技術(shù)廣泛，需要發(fā)展空間超遠(yuǎn)距離超高精度激光測量、超高靈敏度慣性傳感器，以及超高精度衛(wèi)星無拖曳控制等下一代高端空間技術(shù)，這些技術(shù)對于提升中國空間科學(xué)和深空探測的技術(shù)水平具有重要意義，對慣性導(dǎo)航、地球科學(xué)、高精度衛(wèi)星平臺建設(shè)等應(yīng)用領(lǐng)域也將發(fā)揮積極的作用。

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