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中國引力波探測計劃“空間太極計劃”公佈

  • 發佈時間:2016-02-16 10:46:00  來源:中國經濟網  作者:佘惠敏  責任編輯:羅伯特

  中國經濟網北京2月16日訊(記者佘惠敏)中國科學院今天公佈我國空間引力波探測計劃。

  在我國,空間引力波探測已被列入中國科學院制訂的空間2050年規劃。2008年由中國科學院發起,中科院多個研究所及院外高校科研單位共同參與,成立了中國科學院空間引力波探測論證組,開始規劃我國空間引力波探測在未來數十年內的發展路線圖。經過幾年的努力,目前已形成了一支以中國科學院科研人員為主,胡文瑞院士、吳岳良院士為首席科學家的空間太極(Taiji)計劃工作組。在科學院先導科技專項空間科學預先研究項目連續三期的資助下,工作組組織了各種學術交流活動和研討會包括香山會議等,在引力波源的理論及探測研究和衛星技術研究上取得了諸多進展。

  經引力波探測和研究工作組多次商議和論證,按太極計劃我國在2030年前後將發射由位於等邊三角形頂端三顆衛星組成的引力波探測星組,用鐳射干涉方法進行中低頻波段(1x10-4-1.0 Hz)引力波的直接探測。衛星採用無拖曵技術,星組中衛星間距300萬公里,鐳射功率約2瓦,望遠鏡口徑約0.5米,加速度噪音為 3 x 10-15ms-2/√Hz。這一組技術指標總體上優於LISA的要求,而頻率範圍複蓋了LISA的低頻(10-4–10-1Hz)和DECIGO的中頻(10-2–1 Hz)。太極計劃的主要科學目標是觀測雙黑洞併合和極大品質比天體併合時産生的引力波輻射,以及其他的宇宙引力波輻射過程。

  空間引力波探測和研究需要許多先進技術。在空間鐳射干涉儀方面需要穩頻和鎖相的大功率鐳射器和鐳射干涉系統;需要用無拖曵技術控制的高精度光學平臺;需要測量超低重力水準的慣性感測器;需要控制各種噪聲以分辨出引力波引起的微小距離(10-12米)的變化;以及需要與實驗設備一體化的衛星研製。這些正是引力波國際探測計劃要研究解決的關鍵技術。我國目前的技術能力與國際先進水準還有一定的差距,這種差距可以通過良好的國際合作得到一定的彌補。目前太極計劃工作組與國際同行已建立了廣泛的聯繫,與德國馬普學會引力物理研究所和萊布尼茨大學愛因斯坦研究所確立了深度合作關係。太極計劃工作組每年安排人員參加LISA合作組年會,與德國馬普學會引力物理研究所每年輪流舉辦合作交流會議,對研究中所遇到的問題進行磋商和交流。

  空間引力波太極計劃涉及學科領域和前端技術廣泛,包括物理學、天文學、宇宙學、天體物理、空間科學、光學,以及精密測量、航太技術、導航與制導、飛行器與軌道設計等,需要發展空間超遠距離超高精度鐳射測量、超高靈敏度慣性感測器,以及超高精度衛星無拖曳控制等下一代高端空間技術,這些技術對於提升我國空間科學和深空探測的技術水準具有重要意義,對慣性導航、地球科學、高精度衛星平臺建設等應用領域也將發揮積極的作用。

  太極計劃是一個中歐合作的國際合作計劃,它有兩個方案。方案I是參加歐洲空間局的eLISA雙邊合作計劃,今年秋天將召開第三次雙方科學家會議,完成雙邊合作的可行性報告,然後各自向主管部門呈報,由雙方主管部門審批後執行。國際上很希望能有二組空間引力波探測系統同時進行空間探測,彼此驗證,方案II就是發射一組中國的引力波探測衛星組,與2035年左右發射的eLISA衛星組同時邀遊太空,進行低頻引力波探測。方案II擬於2033年前後發射,實現我國大型先進科學衛星計劃的突破。屆時,中國衛星組與eLISA衛星組同時在空間獨立進行引力波探測,互相補充和檢驗測量結果,我國將成為國際上空間引力波研究最重要基地之一。以基礎科學研究為牽引,我國在空間科學研究、高端空間技術和科學衛星的整體水準上將會有一個質的飛躍。

  一百年前,愛因斯坦在創立了廣義相對論後不久就提出了引力波存在預言。百年來,世界各國的科學家為尋找和發現引力波付出了巨大的努力,建造了多種實驗裝置。1974年,Hulse和 Taylor發現了脈衝雙星PSR B1913+16,並在後續觀測中間接找到了引力波存在的證據,于1993年獲得諾貝爾物理學獎。2016年2月11日LIGO(鐳射干涉引力波觀測站)實驗組宣佈直接觀測到引力波信號。這一劃時代的發現不僅是對愛因斯坦廣義相對論一次意義非凡的直接驗證,也為人類進一步探索宇宙的起源、形成和演化提供了一個全新的觀測手段,包括探測宇宙大爆炸時期的引力波,為深入研究超越愛因斯坦廣義相對論的量子引力理論提供了實驗基礎,開啟了引力波物理和天文學以及量子宇宙物理研究的新紀元。

  宇宙中引力波來自天體的能量和品質變化,不同頻率的引力波對應于不同的天體物理過程。引力波譜的分析表明,地面觀測的高頻(>10Hz) 引力波主要對應于緻密雙星的引力輻射。上世紀60年代,人們開始在地面用共振天線探測引力波,但是由於靈敏度不夠而未獲得肯定的結果。90年代以來,人們開始用鐳射干涉方法在地面測量引力波,臂長分別達到4公里(美國的LIGO),3公里(意、法合作的VIRGO),600米(德、英合作的GEO),和300米(日本的TAMA300),其技術水準比共振天線法的探測靈敏度提高了四個數量級,使得LIGO實驗組最終能夠直接觀測到引力波的信號。

  近些年X射線的天文觀測提供了星團等稠密動力學環境中中等品質黑洞存在的證據,而在宇宙學星系成長的等級過程中,中等品質黑洞作為超大品質黑洞早期種子來源的存在,也已在理論上被人們普遍接受。基於地面的引力波探測實驗裝置,由於受空間距離的限制和地球重力梯度噪聲的影響,無法探測低於10Hz的引力波,使其研究目標變得較為有限。為此,多國科學家都在加緊開展空間引力波探測的研究計劃。1993年歐洲空間局(ESA)首先提出鐳射干涉空間天線(LISA)計劃,在10-4-10-2Hz波段進行空間引力波測量。1997年美國空間局(NASA)加入,成為歐、美聯合計劃。LISA計劃的引力波源是雙星系、超大品質雙黑洞和大品質比雙黑洞的併合、普通星系核中大品質黑洞捕獲恒星品質黑洞、超緻密雙星、以及大品質天體的爆炸等。2015年底已發射了LISA的關鍵技術驗證衛星LISA-Pathfinder,計劃于2025年左右發射(可能延至2030年或以後)由三顆各相距500萬公里,裝有空間鐳射干涉儀的衛星組進行空間引力波探測。最近,美國提出的後“愛因斯坦計劃”包括兩顆星,其中一顆是“大爆炸觀測者”,著重于探測地面和LISA之間的中頻(1x10-2-100 Hz)引力波。日本也提出了在相似頻段觀測引力波的DECIGO計劃。中頻波段的引力波源主要是中等品質的緻密雙星(黑洞、中子星、白矮星),以及宇宙大爆炸早期(10-34秒以後)産生的引力波。空間鐳射干涉法測量中、低頻引力波將是天文學和空間宇宙物理最前沿的課題。

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